热力学|人类进入信息时代70年，3分钟带你搞懂背后的大BOSS——香农定律众所周知

众所周知，瓦特改良蒸汽机，使人类进入了“蒸汽时代；而麦克斯韦提出的电磁理论，则让人类从蒸汽时代跨越到了电气时代。而第三次信息革命，则是香农提出的香农定律吹响了变革的号角。
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从 1948 年，香农定律的提出，标准着信息论的建立，美国之所以能够对全球经济具有话语权，除了是因为强大的军事能力之外，还仰赖于香农定律构建的全球技术标准，让美国成为新帝国的垄断者。
从 1G 到 4G 时代，美国都是主导者，但到了 5G 时代，以华为为代表的中国企业异军突起，争夺 5G 的全球领导权，这也是美国恼羞成怒的原因。
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但不管怎么样，从技术的角度来看，主宰者从来只有一个，那就是我们刚刚提到的香农公式，它才是5G幕后真正的大BOSS 。香农定律诞生 70 年，是时候搞懂它了。
1850 年克劳修斯从热机的效率出发，认识到正转变（功转变成热量）可以自发进行，而负转变（热量转变成功）作为正转变的逆过程却不能自发进行。负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生，并且正转变的能量要大于负转变，这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的。
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所以克劳修斯在论文中提出了一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。 “这个定律被称为热力学第二定律。
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克劳修斯在 1854 年的随笔《关于热的力学理论的第二基础定理的一个修正形式》提出了新的物理量来解释这种现象,1865 年正式命名为熵,以符号S表示。
由此克劳修斯提出了热力学第二定律的又一个表述方式，也被称为熵增原理，那就是：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。
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简而言之就是孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加，可以说非常鲜明地指出了不可逆过程的进行方向。
熵增原理是热力学第二定律的另外一种表述形式，却又拥有更加深刻的含义，它创造了“熵”这个概念。
1865年，热力学奠基人之一克劳修斯把熵增原理（熵增原理是热力学第二定律的又一种表述）应用于无限宇宙中而提出“热寂说” ，熵增原理就是孤立热力学系统的熵不减少，总是增大或者不变。用来给出一个孤立系统的演化方向。说明一个孤立系统不可能朝低熵的状态发展即不会变得有序。（孤立体系是指：系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换，故称为孤立体系）
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热寂说将熵增原理扩大到整个宇宙，将整个宇宙当成一个孤立系统，认为宇宙的熵会趋向极大，最终达到热平衡状态，即宇宙每个地方的温度都相等。
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麦克斯韦在听到热寂说之后，立即脑洞大开，首先从概率统计的角度认真思考这个假说，意识到对于宇宙这种“开放系统”来说，一定存在某种机制，使得在某种条件下，会存在貌似“违反了”热力学第二定律的情况。
1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物，即著名的“麦克斯韦妖” （Maxwell's demon）。
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在麦克斯韦构想中，麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。这个理想实验如下：
“我们知道，在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度决不均匀，然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假定把这样一个容器分为两部分， A和B ，在分界上有一个小孔，在设想一个能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B ，而慢分子从B跑向A 。这样，它就在不消耗功的情况下， B的温度提高， A的温度降低，从而与热力学第二定律发生了矛盾" 。