麦克斯韦的妖精_范文大全

麦克斯韦的妖精

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【专家解析】麦克斯韦的妖精

【优秀范文】麦克斯韦的妖精

范文一:麦克斯韦妖 投稿:贾扌才

麦克斯韦妖(英语:Maxwell's demon)是在物理学中,假想的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制,是1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。麦克斯韦妖又被称为麦克斯韦精灵。

当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制,但他无法清晰地说明这种机制,他只能诙谐的假定一种“妖”,能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。

永动机

第一类

在19世纪早期,不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造,因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来,之后不再需要任何动力和燃料,却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前,人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。

直至热力学第一定律发现后,第一类永动机的神话才不攻自破。

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现,它指明:热是物质运动的一种形式。这说明外界传给物质系统的能量(热量),等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有,所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。

热力学第一定律的产生是这样的:在18世纪末19世纪初,随着蒸汽机在生产中的广泛应用,人们越来越关注热和功的转化问题。于是,热力学应运而生。1798年,汤普生通过实验否定了热质的存在。德国医生、物理学家迈尔在1841?843年间提出了热与机械运动之间相互转化的观点,这是热力学第一定律的第一次提出。焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量,用实验确定了热力学第一定律,补充了迈尔的论证。

第二类

在热力学第一定律之后,人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时,又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。

1824年,法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做功又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环(即卡诺循环)的研究,得出结论:热机必须在两个热源之间工作,热机的效率只取决与热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。即热量不能完全转化为功。

1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理,并指出:一个自动运作的机器,不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化,这就是热力

学第二定律。不久,开尔文又提出:不可能从单一热源取热,使之完全变为有用功而不产生其他影响;或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低,从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为:第二类永动机不可能制造成功。

热寂论

在提出第二定律的同时,克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T,并将热力学第二定律表述为:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后,克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中,认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温,直至一个时刻不再有温差,宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移,此即“热寂论”。

批驳编辑

说明1

为了批驳“热寂论”,麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵(麦克斯韦妖),它处在一个盒子中的一道闸门边,它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边,而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样,一段时间后,盒子两边产生温差。麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。

说明2

首先对“热寂说”提出诘难的是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell )。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——“麦克斯韦妖”。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。这个设计方案如下:“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。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,而与热力学第二定律发生了矛盾"。[9]麦克斯韦认为,只有当我们能够处理的只是大块的物体而无法看出或处理借以构成物体分离的分子时,热力学第二定律才是正确的,并由此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。

1877年,玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系S=KlnΩ,其中 K为玻尔兹曼常数。1906年,能斯特提出当温度趋近于绝对零度 T→0 时,△S / O = 0 ,即“能斯特

热原理”。普朗克在能斯特研究的基础上,利用统计理论指出,各种物质的完美晶体,在绝对零度时,熵为零(S 0 = 0 ),这就是热力学第三定律。

第三定律编辑

热力学三定律统称为热力学基本定律,从此,热力学的基础基本得以完备。

麦克斯韦的思想实验中存在这样的一个缺陷,为了控制分子的穿梭,魔鬼本身是要消耗能量的,而这一点则是麦克斯韦没有考虑到的,因此热力学第二定律不成立这一论断是有问题的。在爱丁堡小组的实验系统中,这些能量是由光来提供的,因此热力学第二定律仍然是成立的。根据Leigh所言,“麦克斯韦魔鬼”思想实验中的两个气室实际上和他们实验中的哑铃状分子的两侧类似,而魔鬼则和从小环吸收能量的门结构类似。

证实编辑

1、这是“麦克斯韦妖”第一次在实验中实现。1871年,麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想:一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由一种机制控制的一扇活板门,容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门,门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格,将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格,这样,两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为,整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。

2、“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律,换句话说,这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来匈牙利物理学家冯·劳厄指出,该过程没有违背物理学法则,因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中,损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。他们认为这完全是一种新机制,并称之为“信息—热机制”,这意味着,即使不直接同纳米机器接触,也能够使用信息作为媒介来转化能量。

3、没有参与该研究的比利时哈塞尔特大学的克里斯蒂安·凡登布鲁克指出,新实验直接证明了信息可以转化为能量,尽管如此,新技术仍无法解决人类面临的能源危机。他表示在将信息转化为能量时,真正的能源成本掩藏于外部(包括实验的操作者),因此该实验就如同人们试图使用原子核聚变来产生能量,其实核反应本身耗费的能源可能更多。

4、研究人员自己也表示,实验中的摄像机很笨重,当务之急是找到可自动检测环境的显微技术,并将采集到的信息转化为能量。[1]

验证编辑

麦克斯韦妖验证实验

麦克斯韦妖验证实验

1、日本研究人员在出版的《自然·物理学》网络版上报告称,他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动,爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个

方向运动这一信息转化而来,这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化,验证了约150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。

2、日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动,并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动,由于向上爬会增加势能,因此其往下一层的概率更大,如果不人为干扰,小球最终会掉至最底层。在实验中,当小球沿阶梯向上爬一层后,研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”,让小球无法回到低的那一层,这样小球就能一直向上爬。

3、该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定,研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等),仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外,他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。

反驳编辑

该杂志如实地反映了这个研究,但验证了“麦克斯韦妖”这一设想这个说法却是个误解,而且文章末尾由这个实验联想到了对能量守衡和转化定律的挑战,这显然也是误读。“孤立系统”是热力学第二定律的熵增原理必不可少的条件,而这两项研究借助的系统都不是孤立系统,而是与外界有能量交换的开放系统,不同之外在于前者使用的是光能,而后者使用的是电能。研究结论不仅不是对热力学第二定律的挑战,恰恰相反,它们是对该定律的验证,若把他们实验室的电闸拉了,什么也不会发生。

1961年,IBM物理学家罗夫·兰道尔(Rolf Landauer)证明,重置1比特的信息都会释放出热量,也就是说,将计算机中的一个二进制比特位置零,不管初始值为1或0,都会释放出极少的热量,该能量大小即为兰道尔的阈值[2] ,与环境温度成比例。

鲁兹解释说,删除信息将两种可能状态压缩为一种状态,正是这种信息压缩导致热量散发。现在看来,他的研究证明了兰道尔的理论确实是正确的。近半个世纪以来,兰道尔的理论一直饱受那些理论家的诟病,但这篇论文为该理论首次提供了实验例证。

为了检验该理论,研究人员构造了一个简单的包含两个状态的单比特:用显微镜观测,激光束构造“光陷阱”困住小硅球,该“陷阱”有两个可容纳小球的凹点,分别表示状态1和0,中间有一道由能量做成的“山峰”将两个凹处隔开。当能量峰不太高时,硅球可以在这俩个状态间跳跃切换。研究人员通过调节激光功率大小来控制能量峰的高度,轻微的移动包含着小硅球的凹点,使其离开激光的焦点,倾斜其中一个凹点,使得硅球从一个凹点进入另外的凹点,完成状态切换。

研究人员通过观察硅球在一个状态转换和重置比特位的周期里的位置和移动速度,计算出散发能量具体的数值。兰德尔的阈值只适用与比特重置进行无限慢的情况,而鲁兹和同事发现,当他们用更长的转换周期时,能量散发量会越小,并逐渐趋于稳定,平衡等同于兰德尔所预计的量值。

兰德尔的实验,为麦克斯韦妖不能实现首次给出了个令人信服的理由。“魔鬼”需要擦除(或者可以说“遗忘”)过去每次操作先要选择哪个分子的信息,这样的信息擦除会释放出热量,并增加了熵,熵的增量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。

范文二:麦克斯韦妖 投稿:武澵澶

麦克斯韦妖 - 概述

麦克斯韦妖,是在物理学中假象的能探测并控制单个分子运动的“类人妖”或功能相同的机制,是1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐的假定一种“妖”,能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。 麦克斯韦妖 - 研究历史

1、在19世纪早期,不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造,因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来,之后不再需要任何动力和燃料,却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前,人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。

2、直至热力学第一定律发现后,第一类永动机的神话才不攻自破。详细信息热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现,它指明热是物质运动的一种形式。这说明外界传给物质系统的能量(热量),等于系统内能的增加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有,所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。

3、在热力学第一定律之后,人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。1824年法国陆军工程师卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对

热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环(即卡诺循环)的研究,得出结论:热机必须在两个热源之间工作,热机的效率只取决与热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。即热量不能完全转化为功。

4、1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一

了能量守恒和转化定律与卡诺原理,指出:一个自动运作的机器,不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化,这就是热力学第二定律。不久,开尔文又提出:不可能从单一热源取热,使之完全变为有用功而不产生其他影响;或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低,从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。奥斯特瓦尔德则表述为:第二类永动机不可能制造成功。 5、在提出第二定律的同时,克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T,并将热力学第二定律表述为:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后,克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展

到了整个宇宙中,认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温,直至一个时刻不再有温差,宇宙总熵值达到极大。这时将不再会

麦克斯韦妖 - 提出设想

有任何力量能够使热量发生转移,此即“热寂论”。

1、为了批驳“热寂论”,麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵(麦克斯韦妖),它处在一个盒子中的一道闸门边,它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边,而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样一段时间后,盒子两边产生温差。麦克斯韦妖其实就是耗散结构的一个雏形。

2、1877年,玻尔兹曼发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系S=KlnQ,其中 K为 玻尔兹曼常数。1906年,能斯特提出当温度趋近于绝对零度 T→0 时,△S / O = 0 ,即“能斯特热原理”。普朗克在能斯特研究的基础上,利用统计理论指出,各种物质的完美晶体,在绝对零度时,熵为零(S 0 = 0 ),这就是热力学第三定律。

3、热力学三定律统称为热力学基本定律,从此热力学的基础基本得以完备。 麦克斯韦妖 - 验证设想

1、日本研究人员在出版的《自然•物理学》网络版上报告称,他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动,爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动这一信息转化而来,这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化,验证了约150年前英国物理学家詹姆斯•克拉克•麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。 2、日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动,并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动,由于向上爬会增加势能,因此其往下一层的概率更大,如果不人为干扰,小球最终会掉至最底层。在实验中,当小球沿阶梯向上爬一层后,研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”,让小球无法回到低的那一层,这样小球就能一直向上爬。

3、该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定,研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等),仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外,他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。

麦克斯韦妖 - 实验证实

1、这是“麦克斯韦妖”第一次在实验中实现。1871年,麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想:一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由一种机制控制的一扇活板门,容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门,门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格,将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格,这样,两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为,整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。

2、“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律,换句话说,这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来匈牙利物理学家冯•劳厄指出,该过程没有违背物理学法则,因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中,损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。他们认为这完全是一种新机制,并称之为“信息—热机制”,这意味着,即使不直接同纳米机器接触,也能够使用信息作为媒介来转化能量。

3、没有参与该研究的比利时哈塞尔特大学的克里斯蒂安•凡登布鲁克指出,新实验直接证明了信息可以转化为能量,尽管如此,新技术仍无法解决人类目前面临的能源危机。他表示在将信息转化为能量时,真正的能源成本掩藏于外部(包括实验的操作者),因此该实验就如同人们试图使用原子核聚变来产生能量,其实核反应本身耗费的能源可能更多。 4、 研究人员自己也表示,实验中的摄像机很笨重,现在的当务之急是找到可自动检测环境的显微技术,并将采集到的信息转化为能量。

范文三:麦克斯韦妖 投稿:汪琿瑀

电动力学论文

指导老师:郑泰玉

姓名:陈哲

学号:1221410007

[摘要] 在探讨热力学四大定律的的过程中,科学界有过不少的争吵。人们也根据热力学的定律进行了很多的猜想和有意思的实验。在热力学的第二定律的探讨过程中,为了反驳第二定律,伟大的物理学家麦克斯韦做出了一种假设,假设有一种精灵来控制热量的传递。于是伟大的思想麦克斯韦妖的假说诞生了。

[关键词] 熵 热力学第二定律 麦克斯韦妖

一.麦克斯韦

麦克斯韦对于一个学习物理的人来说并不陌生,全名詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,英国物理学家、数学家。麦克斯韦在电磁学和光学方面相当的有研究,物理学界这样评价麦克斯韦说:牛顿把天上和地上统一起来了,而麦克斯韦把光和电统一了起来,为近代的工业革命和现代文明做出了杰出的贡献。在物理学的学习中我们在热学中学习了麦克斯韦分布方程,在电动力学中学习到了麦克斯韦方程组。麦克斯韦的伟大之处在于他把法拉第发现的物理学中的现象用漂亮的数学公式表达出来了,这就是高等物理学中学的麦克斯韦方程组。

二.麦克斯韦妖出现的历史背景

在19世纪早期,不少人沉迷于一种神秘机械——第一类永动机的制造,因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起麦克斯韦妖的探讨

来,之后不再需要任何动力和燃料,却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前,人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。直至热力学第一定律发现后,第一类永动机的神话才不攻自破。 在热力学第一定律之后,人们开始考虑热能转化为功的效率问题。这时,又有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功。这被称为第二类永动机。

1824年法国军人卡诺设想了一个既不向外做工又没有摩擦的理想热机。通过对热和功在这个热机内两个温度不同的热源之间的简单循环(即卡诺循环)的研究,得出结论:热机必须在两个热源之间工作,热机的效率只取决与热源的温差,热机效率即使在理想状态下也不可能的达到100%。即热量不能完全转化为功。

1850年,克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理,并指出:一个自动运作的机器,不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化,这就是热力学第二定律。随着热力学第二定律的总结和人们的认可第二类永动机不可能制成。

与此同时,克劳修斯还提出了熵的概念S=Q/T,并将热力学第二定律表述为:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。但在这之后,克劳修斯错误地把孤立体系中的熵增定律扩展到了整个宇宙中,认为在整个宇宙中热量不断地从高温转向低温,直至一个时刻不再有温差,宇宙总熵值达到极大。这时将不再会有任何力量能够使热量发生转移,此即“热寂论”。

三.麦克斯韦妖的假设

为了反驳克劳修斯提出的热寂论,麦克斯韦在精神上进行了一个实验。设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。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。这个设计方案如下:“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(如图一所示),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,而与热力学第二定律发生了矛盾

图一

四.麦克斯韦妖的验证

在验证热力学第二定律的这一过程中出现了不同声音的时候,科学们又提出了一个新的概念——信息。在速度快的分子向A运动,速度小的分子向B运动,这一过程中如果要区分热分子还是冷分子这一个信息。那么这一信息是否需要能量,科学界进行了不同的实验和理论方面的验证。

日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动,并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动,由于向上爬会增加势能,因此其往下一层的概率更大,如果不人为干扰,小球最终会掉至最底层(如图二所示)。在实验中,当小球沿阶梯向上爬一层后,研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”,让小球无法回到低的那一层,这样小球就能一直向上爬。该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定,研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等),仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外,他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。

图2

“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律, 这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来匈牙利物理学家冯·劳厄指出,该过程没有违背物理学法则,因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中,损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。他们认为这完全是一种新机制,并称之为“信息—热机制”,这意味着,即使不直接同纳米机器接触,也能够使用信息作为媒介来转化能量。

我们再来深刻的分析这个过程,麦克斯韦最先想干的事情就是推翻热寂说,进而推翻热力学第二定律的克劳修斯表述是:热量不能自动地从低温物体传向高温物体。但麦克斯韦在给朋友的信中设想一个大小是分子数量级的小精灵:“一个有限的生灵,他单凭观察就能通晓所有分子的轨迹和速度,但除开关一个小孔外,不量自动地从低温物体传到高温物体。具体的做法是:一绝热容器中用同种气体,且T1>T2,在绝热隔板上有一可控小门.在门口由一个具有判断力的小精灵——“麦克斯韦妖”控制,它只允许高温分子通过进入B室,低温分子通过进入A室,经过一段时间后B室的温度变高,A室的温度变低.这看起来似乎推翻了热力学第二定律,其实不然,首先小精灵要想实现这种控制,就得先要获得分子的速率大小的信息,不论是视觉接受光能信息,还是听觉接受声能信息,都有不可逆过程出现,也就产生了“其他影响”.

图3

这和热力学第二定律是一致的. 麦克斯韦妖在得到信息后,使快慢分子分开,系统更加有序,导致系统的熵减少.可以说信息就是负熵.而热寂说的创始人说:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵增加,然而我们的证明是熵减少了。所以麦克斯韦妖是不成立的。

把物理学界的证明综合起来是这样回应麦克斯韦的假说的:

第一,麦克斯韦设想小妖可以分辨粒子运动速度的快慢,而不影响其原始状态,但是实际上这是无法办到的。例如,如果你想要知道一个粒子的速率就需要通过碰撞的方法来测出粒子的速率,但这样就该变了粒子的运动状态。改变一个物体的状态就必须通过做功的方式,做工就必然消耗能量。这样就与最初的设想矛盾(麦克斯韦的设想是麦克斯韦妖不用消耗能量就能将高速率和低速率的粒子分开。)

第二,将速率不同的粒子分开依然需要消耗能量。当一个粒子要同过麦克斯韦妖时,麦克斯韦妖将会把它们分为两类,一类是高速率,一类是低速率。假如小妖允许高速率的粒子通过,那么小妖将把所有运动方向朝向小妖的低速粒子都阻止,也就是改变这些低速粒子的运动方向,改变运动方向同样是改变运动状态,同样要消耗能量来做功,这样又与最初的设想矛盾。

在物理学的学习中是不是的都能和麦克斯韦老人家打交道,我们都学习的是麦氏的经典理论,然而对麦氏的麦克斯韦妖的研究使我对麦克斯韦老人家更加的感兴趣,对物理规律的总结和物理发面的研究有了更深刻的了解。在科学的探讨过程中我们要向麦克斯韦学习,大胆的猜想,大胆的验证,这才是我们物理研究的真正的乐趣。虽然麦克斯韦妖的假说不成立,但是这种科学的研究精神是值得我们学习物理的学生去学习和继承的。

[参考文献]

1.王琦,刘桂玲《熵,麦克斯韦妖与生命》2004.6

2.潘力《麦克斯韦妖-DNA-LASER 》2000.9

3.秦允豪《普通物理教程-热学》

4.郭硕鸿《电动力学》

范文四:麦克斯韦妖的进化 投稿:夏辞辟

摘 要:首先通过耗散结构和膜结构的分析,从物理上说明生命有序化的机理,而后介绍一些古生物学上的进展和研究,来证实生命的复杂性是进化产生的,而非神创。同时也具体以植物的演化为例展示了通过化石揭示的演化历史。   关键词:耗散结构 膜结构 演化   中图分类号:N91文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-053-02   1引言   生命体具有多层次的精细的结构,并且能够完成一些高度复杂的生命活动。因此惊讶之余,也有些国外学者认为生命是上帝制造的,并使得许多不明真相的群众与同学信以为真。   笔者作为元培计划委员会成员与全国古生物学会会员,主攻物理,并学习了许多古生物的知识,所以觉得不是那样的。笔者也收藏了一些化石,亲眼目睹了生命由简单到复杂的演化。笔者所阐述的,都是已经为物理界与地质界公认的事实,而非笔者独创,笔者只是用这些来作粗浅的分析。   2物理解释――耗散结构的熵减小与膜结构   在热力学中,熵增加原理被作为第二定律,浅显地说,事物趋向混乱,依据Boltzmann公式,,其中表示微观状态数。但是,这条原理(暂且依旧称为原理,因为直到今年以前一直认为这是不能够证明的)有一个前提条件,就是这个系统必须是孤立系统,不能与外界有物质交换与能量交换。而生命结构显然是开放体系。   最早由量子力学波函数的发现者薛定谔于40年代提出生命体的物理意义 。普里高津提出耗散结构这个概念 。浅显地说,它通过摄取能量,排出体系中的熵,从而使自身的熵减小。这样生命体就可以反自然之道而日渐有序。   笔者的老师江大勇教授一直深信生命的本质就是膜结构,这样就可以选择性地通过物质和能量,从而维持体系的有序甚至减小熵。而这种选择行为所需的能量则由外界摄入,所需的信息则由DNA遗传提供。这也是许多古地质工作者的观点。   这种行为其实早在一百多年前就已经被领先那个时代的科学家麦克斯韦提出 。麦克斯韦终其一生不被世人理解,凄凉而终,死后人们发现他的研究奠定了电磁学和热力学的基石,并早在那个时代通过麦克斯韦方程组谐变提出光速不随参考系改变,成为了相对论的支柱。   麦克斯韦亲手设计了这样一个佯谬:      图1 麦克斯韦妖的工作机理   一个精灵,它处在一个盒子中的一道闸门边,它允许黑色的微粒通过闸门到达盒子的一边,而允许白色的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样,盒子熵减小。   伟大导师麦克斯韦永垂不朽。   3地质上的化石证据   从38亿年到现在的大量化石证据一一展现了生命体有序结构产生的历史。      图2生命由简单到复杂的历史   已知最古老的生命:      图3澳大利亚35亿年前的岩石中微生物化石,   非常原始、简单,单细胞生物   篇幅所限,笔者在这里举植物的演化分形为例:      图4原厥的根状茎演化出了根      图5茎的突起演化出了叶      图6由早期植物的简单等二叉分支      逐渐演化出今天繁密的树枝结构。   4总结   正如上面所分析的,复杂的生命形式是漫长演化的结果,这一过程既有物理上的说明也有地质上的再现,是不容置否的。      注释:   Schrdinger, E., What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge University Press, New York, 1967. (Originally published in 1944.)   普里高津.结构、耗散和生命[R].国际“理论物理与生物学会议”.1969.   Maxwell, J.C., Theory of Heat, 1871,reprinted in Leff & Rex (1990) , New York: Dover.   Schopf, J.W. Earth's earliest biosphere- Its origin and evolution [A]. In: Princeton, N.J., Princeton University Press, 1983, p543.

范文五:对麦克斯韦妖的看法 投稿:方錤錥

对“麦克斯韦妖”的看法

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制,但他无法清晰地说明这种机制,他只能诙谐的假定一种“妖”。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——“麦克斯韦妖”。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。能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。

在我看来,麦克斯韦妖是麦克斯韦对违反热力学第二定律的可能性的一个解释,这样奇幻的阐述,极具浪漫主义的色彩,作为一个伟大的物理学家,麦克斯韦用理性和感性共同为后人留下了一个不可思议的课题,就像精通诗歌的伟大数学家柯西一样,麦克斯韦拥有一个科学家难得的情怀。

从过去到现在关于麦克斯韦妖的实验与争论从未停止。

麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”设想:一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由一种机制控制的一扇活板门,容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门,门则可以选择性地将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格,将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格,这样,两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为,整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。

“麦克斯韦妖”似乎违背了热力学第二定律,换句话说,这一过程不能毫无能量损耗地分离热分子和冷分子。后来匈牙利物理学家冯·劳

厄指出,该过程没有违背物理学法则,因为“麦克斯韦妖”实际上必须消耗能量来确定哪个分子是热的、哪个分子是冷的。而在本次实验中,损耗的能量是摄像机的能量通过信息这一媒介转换而来。他们认为这完全是一种新机制,并称之为“信息—热机制”,这意味着,即使不直接同纳米机器接触,也能够使用信息作为媒介来转化能量。

IBM物理学家罗夫·兰道尔证明,重置1比特的信息都会释放出热量,也就是说,将计算机中的一个二进制比特位置零,不管初始值为1或0,都会释放出极少的热量,该能量大小即为兰道尔的阈值,与环境温度成比例。

麦克斯韦妖需要擦除(或者可以说“遗忘”)过去每次操作先要选择哪个分子的信息,这样的信息擦除会释放出热量,并增加了熵,熵的增量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。

兰德尔的实验,蕴含着一个更贴近现实的结论,就是消除1比特散发出热量的限度到底有多么少,累积起来,一台电脑进行比特运算能散发多少热量。鲁兹说,计算机芯片的散热问题是阻碍计算机微型化的一大主要问题。这样的能量损耗正变得越来越少,并在几十年后接近兰德尔所给的阈值。实验清楚明白的告诉我们,能量损耗再低也不能比兰德尔的阈值还低。由此说明“麦克斯韦妖”不存在。

但是,日本研究人员在出版的《自然·物理学》网络版上报告称,他们在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动,爬动所需的能量由该粒子在任何给定时间朝哪个方向运动这一信息转化而来,这意味着科学家首次在实验室实现了信息到能量的转化,验证了约

150年前英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想。 日本中央大学理工学部的鸟谷部祥一和东京大学的佐野雅树领导的团队在实验室让一个直径为287纳米的聚苯乙烯小球沿电场制造的微小旋转阶梯向上爬动,并将小球拍照。小球可以随机朝任何方向运动,由于向上爬会增加势能,因此其往下一层的概率更大,如果不人为干扰,小球最终会掉至最底层。在实验中,当小球沿阶梯向上爬一层后,研究人员就使用电场在小球爬上的那层阶梯加一面“墙”,让小球无法回到低的那一层,这样小球就能一直向上爬。

该小球能爬阶梯完全由“自己的位置”这一信息所决定,研究人员无需施加任何外力(比如注入新能量等),仅需一个感应系统(比如摄像机)。另外,他们也能精确地测量出有多少能量由信息转化而来。

从上面两个实验中似乎都无可争辩的说明了麦克斯韦妖存在或者是不存在,这就像当年光是机械波还是粒子的争辩一样。不同的是光既可以是波又可以是粒子,二麦克斯韦妖不可能既存在又不存在。如果说麦克斯韦妖是在特定条件下才存在的话,这又违反了物理现象的普遍性。麦克斯韦妖的存在与否是耐人寻味的,

麦克斯韦提出了一个“麦克斯韦妖”,后人为此不断努力探寻其真相。就像“哥德巴赫猜想”和“黎曼猜想”等历史上遗留的问题,它们都是科学历史王冠上的明珠。能解决这样的问题固然是一种荣耀,但是

更重要的是提出这样的问题和想法。在我看来,如同麦克斯韦在研究《热寂论》时提出的“麦克斯韦妖”一样,大学生应该培养的正是这样一种学会发现问题的能力。

2013年10月12日

范文六:改进了的麦克斯韦妖 投稿:萧獜獝

著作人:黄柏创作时间:2013年12月3日星期二

改进了的麦克斯韦妖

麦克斯韦设计麦克斯韦妖是为了否定热二定律,但是,如果小妖需要追踪每个气体分子的运行位置和运行速度,那么必须需要消耗外部提供的能源。因此,麦克斯韦妖并不能否定热二定律。

然而,如果把小妖去掉,由气体分子来完成开门的动作,那么系统会变成怎么样?

图1

如图1所示,环形里面充满同温度的气体。环形底下连通,A区和B区之间在环上面隔开。隔开的地方中间有一道门。这道门只能往B区打开,打开后可以自动关闭,使得气体分子只能从A区进入B

区。门的结构象一种捕鱼工具。

图2

如图2所示,鱼只能进入这个捕鱼工具里面,却出不来。

这系统将怎样运行呢?

由于A区和B区之间的分子都在做无规则的热运动,那么必然存在一种情况,即门的左区附近存在一个高能分子,门的右区附近不存在分子或者是存在一个低能的分子。那么高能的分子必然撞开门而进入B区。门打开后自动关上,B区的分子不能从门进入A区。那么B区的分子浓度将增加,使得他们从底下的连通区域回到A区。这样,无规则的分子运动将变成了有规则的分子运动。

如果整个系统不向外做功,那么系统的能量保持不变,这符合能量守恒定律。

这到底是我错了还是热二定律不严谨?

1

范文七:驱逐“麦克斯韦妖” 投稿:陆紼紽

驱逐“麦克斯韦妖”Comments>>

| Tags 标签:原创, 悖论, 永动机, 热力学第二定律, 熵, 麦克斯韦妖 奥卡姆剃刀 发表于

2011-05-25 07:16 您正在安静的环境中看这篇文章,身体并没有感到

有什么异样,而实际上,周围无数的空气分子正在以每秒约500米的速度对您进行全方位地轰炸,这个速度比出膛的手枪子弹都要快。在任何一个物质的内部,包括您的体内,原子和分子也都在永不停歇地振动撞击,这些微粒的速度越快,其携带的能量就越大,可以想象,在随便一坨物质中,由微粒高速运动而产生的能量总和都是很大的,若能将这种“物质的内能”开发出来做功,人类就会彻底解决能源问题,煤、石油、天然气等传统能源所造成的环境污染将不复存在,温室气体之忧也会消失,切尔诺贝利和福岛的惨剧再也不会发生,人类的生产生活会迈入一个崭新的时代,这将是人类历史上最伟大的发明,没有之一。

但是,热力学第二定律像一个紧箍咒,限制着这类热机的出现。关于热力学第二定律,克劳修斯的说法是:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化,这个说法揭示了热量传递的不可逆性;开尔文的说法是:不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不引起其它变化,这个说法揭示了热功交换的不可逆性。举例来说,将一杯开水和一杯冰水倒在盆里,盆里水的温度会中和,而且这个过程不可逆,即一盆水不会自动地分离成一半开水和一半冰水。温度中和过程是系统从有序向无序转化的过程,“熵”作为系统混乱度的表征,中和过程就是熵增过程。这种“熵只能增加而不能减少”的原理有个重要的前提条件,即系统必须是孤立的,若系统不是孤立的,而是伴随着能量的输入,那熵减就有可能发生了。

科学研究没有禁区,总是有人在寻找着热力学第二定律的反例,其中最著名的就是1871年物理学家麦克斯韦设计的一个头脑实验—麦克斯韦妖。他假设了一个密闭的容器,由一个没有摩擦力的隔板分成AB两部分,隔板上有个由妖魔控制的阀门。起初两侧温度相同,当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动时,妖魔就打开阀门令其通过,反之,当高速分子由B向A运动或慢速分子由A向B运动时,妖魔就关闭阀门。久而久之,高速分子都跑到了B区,慢速分子都跑到了A区,于是这个封闭系统的有序性大大增加,而熵就大大减少了。这只想象中的妖魔打破了“封闭系统的熵只能增加”的热力学第二定律,若它真的存在,那我们就可以利用温差对外做功了,科学界将这类违背热力学第二定律的热机称为“第二类永动机”。

这只想象中的妖魔曾令物理学家们伤透了脑筋,长期以来争论不休,直到上世纪50年代,法国物理学家布里渊用信息论驱逐了这只妖魔,捍卫了热力学第二定律的正确性。布里渊在其专著《科学与信息论》及一系列论文中,从信息论的角度分析了妖魔的分辨本领及控制能力的来源。由于容器是密闭的孤立系统,妖魔处于绝对黑体中,它是不可能看清任何东西的,当然也就无法分辨分子运动的速度和方向,系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮,它才有可能看清楚并正确控制阀门,从而增加系统的有序性并使熵减少,但这种有能量输入的系统就不再是孤立系统了,当然就不再适用于热力学第二定律了。

布里渊还进一步分析了信息论中的熵与热力学中的熵的定量关系,得出了公式

1bit=kln2(J/K),其物理意义是:要获取1bit的信息,其熵必定减少

kln2=0.957×10-23(J/K),其中k=1.38×10-23(J/K)。例如T为300K时,则要消耗

2.87×10-21(J)的能量。信息的获取必须借助于一定的物质过程,而且伴随着一定能量的消耗,不耗损能量而获得信息是不可能的,所以说孤立系统中的妖魔是不可能存在的。 2007年2月的《自然》报道了一种人造的分子机器,它可以使系统逐渐远离平衡态,研究者们将其中关键的控制机构称为“信息擒纵阀”,该阀门使用外部提供的光作为能量源,用来控制分子由低密度向高密度的穿梭过程。在自然界中,几乎所有的重要生理过程都是通过分子机器来驱使化学系统偏离平衡的,研究者的目的就是靠人工系统在分子尺度上也完成类似的任务,这可能导致具有生物体类似功能的分子器械的出现,例如将某些离子从低浓度的区域移动到高浓度的区域,这在医学上具有重要的应用前景。这个实验系统是开放的,它消耗了外部提供的光能,从而产生了熵减过程,这个实验验证了布里渊的理论,即熵减过程必须伴随着能量的消耗。

科技日报2010年11月16日头版有篇名为《科学家首次将信息转化为能量》的文章,文中介绍了日本的一项研究,研究人员在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动,爬上一层后利用电场能量在那层阶梯上加一堵墙,使之落不下来,该小球就会越爬越高,从而势能也越来越大。与上一个人造分子机器类似,这同样也是一个熵减过程实验,其主要贡献是纳米尺度上的精密控制新技术。

编辑如实地反映了这个研究,但“验证了约150年前英国物理学家詹姆斯•克拉克•麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想”这个说法却是个误解,而且文章末尾由这个实验联想到了对能量守衡和转化定律的挑战,这显然也是误读。“孤立系统”是热力学第二定律的熵增原理必不可少的条件,而这两项研究借助的系统都不是孤立系统,而是与外界有能量交换的开放系统,不同之外在于前者使用的是光能,而后者使用的是电能。研究结论不仅不是对热力学第二定律的挑战,恰恰相反,它们是对该定律的验证,若把他们实验室的电闸拉了,什么也不会发生。

国内某研究员的一项研究倒是可以拉掉电闸的,他研究的是真正的第二类永动机,并将之称为“无偏二极管”。其2000年发表的研究显示,做法是在两块金属板中间夹一层半导体薄膜,其中一块金属板有许多直径很小的井,论文称电子的自由运动通过薄膜后被井壁收集,并慢慢形成电压差,从而可以做功。因为这项研究违背了热力学第二定律,在学术界引起了很大的争议,作者在回应质疑时称其对热力学第二定律进行了完善和重新解释,而且已经进行了多次实验,并证实了确有极微弱电流的存在。但是,其论文并未显示采用了电磁屏蔽手段,不能排除所测得的极微弱电流是外界电磁辐射导致的可能性,而且也没有他人重复并证实该实验的研究报告,这个研究成果并没有被学术界所接受。

科学不仅将很多可能性变成了现实,而且还否定了很多可能性,违背热力学第二定律的第二类永动机就不可能实现,这早已经是科学界的共识,包括美国在内的许多国家早已不受理此类发明的专利申请。国外的那两项研究也跟试图推翻热力学第二定律毫无关系,它们不过是在极微小尺度上精密控制技术的成功探索,只是实验结构与“麦克斯韦妖”这个头脑实验有些形似,于是被拿来说事了,而这只小妖早已经被驱逐60年了。

参考文献:

1、傅祖芸,《信息论--基础理论与应用》(第2版),电子工业出版社,2007年12月

2、《NATURE》2007年2月1日http://physicsweb.org/articles/news/11/1/26/1

3、“科学家首次将信息转化为能量”,科技日报,2010年11月16日

http://digitalpaper.stdaily.com:81/kjrb/html/2010-11/16/content_81918.htm?div=-1

4、徐业林,“无偏二极管的实验与分析”,导弹与航天运载技术,2000年第3期

5、徐业林,“无偏二极管与热力学第二定律”,光明日报,2004年12月30日

6、“熵中妖精挑战绝对零度”,环球科学,2011年第5期

范文八:麦克斯韦的小妖 投稿:郑礬礭

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0  一 一 一  

= 斯韦的小 爨 一 里 = 克 一  

一  

入 们 , 很早就知道, 温度总   是

自发 地 从 高 温 区 域 向 低 

温 区域 传 递 , 自从 1 9世 纪 热 力   制 其 它分 子 的 出入 。 它是 否 打 

豳 

‘  1

就 会 在 棘 齿 ( 种 防 止倒 转 的  一

破 了物 理 学的 基 本 定 律 呢 ?   大 自然 喜 欢 利 用 分 子 机 器 

齿) 的控 制 下 . 不再倒 转 回来 。   这个情景有 点像 一些商场进 出  

口处 的 旋 转 杆 装 置 ,只 允 许 顾 

客 从 一 个 方 向通 过 , 能反 转 。 不  

学第二 定律发 现以来 ,人们 对 

此 更 是 坚 信 不 疑 ,把 热 量 从 低  

来让 生命保 持生机 ,科 学 家也  想制造 出能够奔忙 于纳米世界  的分子机 器 ,并且 能够随意地 

控 制 它 们 ,比 如 类 似 麦 克 斯 韦   小妖 的 分 子 。 是 以 前 , 学 家  但 科 制 造 出的 人 造 分 子 机 器 却 不 听 

话 , 让 它 们 工 作 的 结 果 总 是 使  系统越 来 越 死 气沉 沉 。 为 了让 

温 物 体 传 到 高 温 物 体 而不 引起  

物 质 系统 的 其 他 变化 是 不 可 能 

的。  

如 果 在 环 上 携 带 上 一 些粒 

子 .这 些 粒 子 就 只 能 正 转 通 过 

门. 不会再返 回来, 而 于是 粒 子 

就 只 能 进 入 门 内 ,而 不 会 跑 出  

但 在 10年 前 , 热 力 学 第  4 二 定律 发 现之 初 ,英 国物 理 学  家麦 克斯 韦却对 它疑 虑重 重 ,  

总 想 寻 找 特 例 推 翻 它 ,他 冥 思 

门外 。 这 个 粒 子 是 高 温 粒 子 , 若  

门 内是 高 温 室 , 外 是低 温 室 , 门   那 么在 棘齿 分子 的控 制之 下 ,   高 温 粒 子 只 能 由低 温 室进 入 高  温 室 , 却 不 能 从 高温 室进 入 低  温 室 , 岂 不 就 实现 了温 度 从 低  温 向 高温 的 传 递 ?  

不 过 仔 细 观 察 一 下 我 们 会 

人 造 的 纳 米 世 界 也 充 满 生命 般   的 活 力 .科 学 家们 在 麦 克 斯 韦  

小妖 构 想 的 启 发 之 下 ,利 用轮 

烷 和 一 个 滑 动 的环 ,终 于制 造 

苦 想 ,构思 了一个有趣 的 实验 

环境 :在 两 个 温 度 不 同 的 气 体 

室之 间 有 一 个 门 , 气体 可 以 通  过 门相 互 交 流 ;再 发 明 一 个 特  别 的 部 件 ,这 个 部 件 后 来 被 戏 

称 为 麦 克 斯 韦 的 “ 妖 ” 让 这  小 , 个 小妖 在 气 体 室的 门 口做 看 门  

出能够完成任务的分子机器 。  

轮 烷 是 一 种 许 多 分 子 组 成 

的 、 有 哑 铃 形 状 的轮 轴 , 以  具 可 滑 动 的 环 设 在 轮 轴 上 , 旁边 有 

发 现 ,从 低 温 到 高温 传

递 的 过  程 并 不是 自发 实现 的 ,这 个 棘  齿 小妖 是 要 吃食 的 , 它 的 胃 口   被 光 的 能 量 满足 了 , 它 才 肯 为 

人 。 小妖 不 允 许 快 速 运 动 的 高 

温 分 子进 入 低 温 气体 室 , 而 只  允许 慢 速 运 动 的 低 温 分 子 进 入 

个 门挡 住 了环 的 去路 ,但 环 

与 门之 间 有 联 系 , 环 的 滑 动 会 

我 们看 门。 以. 所 麦克斯韦  

的 小妖 也 是 要 消 耗 能 量 才 

高 温 气体 室 , 样 , 两 个 气 体  这 这 室的温度 差 肯定会 越 来越 大 ,   这 样 ,温 度 就 不 是 从 高 温 向低 

温 传 递 了 , 而是 从 低 温 向 高温  传 递 ,这 样 岂 不就 打破 了热 力  

肯 办事 ,它并没有像 麦克 

斯 韦所 希望的那样 ,为我  们 带来科 学的革命 。打破 

热 力 学 第 二 定 律 。 好 在 科  学 家所 发 明 的 棘 齿 小 妖 胃  

轮烷分 子 

学 第二 定律 ?   最 近 ,麦 克斯 韦 假 想 的 看  门 的 小妖 竞 然 被 科 学 家制 造 了   出 来 , 个 小妖 并 不 是 电 影 、 这 电 

口并 不 大 , 最 重 要 的 是 , 而  

影 响 到 门。 当光 照射 到 轮 烷 上 

时 ,轮 烷 轮 轴 上 的 环 就 会 吸 收 

它的 确 能 够 按 照 科 学 家的 意  愿. 温度从低 温传到高温 , 把 把 

离子 从 低 浓 度 运 到 高浓 度 … … 

视里妖精 的模 样 ,而是 一种 只 

能 正转 不会倒 转 的棘 齿分子 .   棘 齿 分 子 可 以 作 为 看 门人 . 控 

光子 , 滑动起 来 , 环的滑动把 能 

量 传 递 给 门 , 门就 会 暂 时 改 变  形 状 让 环 滑 过 , 一旦 滑 过 门 . 环  

有这 个本 领 ,这 个小妖 前 

途 无量。 .  

星  交流 贵  确值得一看. 它开拓我的视野 , 让我知道、多知识  年 为比. 我很希望或为贵刊的会员i  

4  0 江 西 省修 水 宁 红 大 道  张 璋 

范文九:通向麦克斯韦妖之路 投稿:邵粒粓

“时间之箭”是现代物理学中一个令人困扰的问题,它导致日常遇到的种种不对称性现象,例如把牛奶与咖啡混合很容易,但是把这个混合物重新分离极难做到。把一个玻璃杯摔碎很容易,但是把碎片重新整合成玻璃杯,几乎是完全不可能的。人总是越来越老,木材很容易烧成炭,凡此种种现象都是明显不可逆的。物理学家用热力学第二定律成功地描写这些宏观现象。但是人们发现这个定律与经典力学相矛盾。只有借助于在概率的基础上建立的统计力学才提供了理解这些现象的可能性。   1871年英国著名物理学家麦克斯韦在给朋友的信中提出一个称为“麦克斯韦妖”(Maxwell Demon)的非常有趣的物理设想,用来作为违反热力学第二定律可能性的一个反例。设想有一箱密封气体,被一个板隔离为两部分,一半温度较高,一半温度较低。如果拿走隔板,冷热气体会自然混合,最后会得到均匀混合的气体,温度介于原来的两个温度之间,这是符合热力学定律的。现在假设,隔板上开一个小孔,有一个“小妖”来控制它的关闭和开启。对从左边箱子来的分子,“小妖”只让运动速度很快的通过,反之,对于从右边来的分子,只允许速度较慢的通过。这样,左边箱子里的气体将不断变冷,右边箱子里的气体将不断变热。原本温度均匀的两半,就会由于麦克斯韦妖的作用,使得左边的温度比右边低,于是违反了热力学第二定律。   作者在本书中提供了统计力学的一种新的概念基础。它展示了热力学与力学之间的缝隙是如何发生的,以及怎样才能弥合。热力学不是一个普适的理论,著名的麦克斯韦妖这类情况可以被统计力学成功地预测。目前,这一理论的基础还不稳固。在这本书中,作者在这种新的概念基础之上发展统计力学,尝试处理这些困难问题。他们解释了宏观态、概率、测量、记忆等概念和统计力学中的时间之箭,得到了惊人的结论:麦克斯韦妖,著名的永动机,是与基本的物理定律一致的。对于统计力学基础长期存在的一些问题提供了新的解决办法。   全书共分成13章:1.引言;2.热力学;3.经典力学;4.时间;5.宏观态;6.概率;7.熵;8.典型性;9.测量;10.过去;11 Gibbs; 12.擦除;13.麦克斯韦妖。   本书是一本高水平的学术专著,而不是一本教材,作者们使用新发展的概念工具,对于统计力学提供了一个新的哲学视角,力求解决物理学的一些基本问题。他们在不放弃深度下尽可能地避免复杂的数学处理,而采用新的图解方式来辅助内容的阐述。对于那些对物理学基础和哲学感兴趣的研究人员和研究生这是一本引人入胜值得一读的参考书。   丁亦兵,教授   (中国科学院大学)

范文十:“麦克斯韦妖”妖踪初现 投稿:何髁髂

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20 0 7年 第 2期 

物理 通报 

、  

课 改与考 试研 究 

在实 验教 学 中增 加 一 些 人 为 的干 扰 因素 ( 意 颠倒  故 实验 步骤 , 让学 生 自行 选 择 电表 量 程 等 ) 让 学 生 在  , 实验过 程 中 自己发 现 问题 、 析 问 题 、 决 问题 , 分 解 对  学 生实验 能 力的 提高 会有很 大 的帮 助 .  

24 重 视对 实验 设计 能 力的培 养  . 

外 ; 以使 用 实验 室 的器 材 , 可 以 自制 教 具 , 至  可 也 甚 可 以使用 日常生 活 中 的物 品 , 如用 铅 笔 和 小刀 做 压 

强 实验 , 雪碧瓶 做 液体 压强 与深度 关系 的实 验 , 用 用 

汽 水瓶 做大 气压 实 验 , 眼药 水 瓶 做 物 体的 沉 浮 实  用 验等 . 这些 学生 熟悉 的器 材 能 使 他 们 明 白物 理 与 生 

活联 系非 常 紧密 . 过 这些 课 本 上 没 有 出现 的器 材  通 启 发学 生 的创新 能 力 , 而调 动 学 生 的创 新 意识 和  从 创 新 精神 .  

2 5 关 注教材 中的演 示 实验 和 课后 小 实验  . 

设计 型 实 验 是 近年 高 考 实验 试 题 的热 点 , 类  这 命题 素材 主要 来 自教 材 中 的实 验 , 又不 拘 泥 于 教  而 材, 对学 生 实验 能力 的要求 较 高 . 何提 高学 生 的实  如 验设 计 能力 , 已成 为高 考 物 理 实 验 复 习 时 迫在 眉睫 

的 问题 .   .  

随着 高 考 改 革 的不 断 深 入 , 考 考查 的知 识 面  高

越来 越 宽 , 靠 l 学 生 分 组实 验 已经 远 远不 够 . 仅 9个   演 示实 验 的出现 正好 弥 补 了这 一 不 足 . 以教 师 在  所

笔者 认 为 首 先要 深 刻 理解 教 材 中 的基 本实 验 ,  

因 为这是 设计 实验 的基 础 .0 6年全 国理综 卷 I考  20 查 的测定 电压 表 内阻 的实 验 , 源 于 教 材 上 的 测 定  就 小灯 泡 的电 阻实 验 . 有 在 深刻 理 解 测 定 小 灯 泡 电  只

做 演示 实验 时 , 作 要 规 范 , 引导 学 生 注 意 观察 , 操 要  

培养 和提高 学 生观 察能 力 . 实 验条件 允许 的学 校 , 在   可 以变演 示实 验 为学生 实验 , 学生 亲 自动手感 受 , 让   加深对 实 验 的理 解 . 于课 后 小 实 验 , 能 一 略 而  对 不 过, 要激发 学 生亲 自动 手去完 成 .  

阻实验 的基 础上 , 能将 知识迁 移 , 才 来完 成 学生 没有  做 过 的测 电压表 内阻 的实 验 、 次要 培 养学 生 的创  其 新 意识 . 创新 意 识 的培养 可 以在课 堂上 , 可 以在课  也

“ 克 斯 韦 妖 ”妖踪 初 现  麦

最 近 , 国爱丁 堡大 学 的 D v  eg 英 ai L ih和 同事 发 现 应用 “ 息 棘

齿 ” ifr a o   tht 制粒  d 信 (nom t nr c e)控 i a 子 的运 动 可 以使 系 统偏 离热平 衡 . 在实 验 中他们 用 到 了一种 叫作 “ o x n ”的物 质 , 是一 种 在带  R t ae a 这 有 长链 的分子 上套 入环状 化合 物 的特 殊络 合物 , 环可 以在 长链 上滑 动 , 小 长链上 有 一个类 似 开关 的 

结构 可 以限制 小环 的运 动 . R t ae被光 线 照射后 , 当 oa n x 小环 吸 收光 子 并将 能 量 传递 给开 关 , 关 的  开 形状 临 时发 生改 变 , 小环 通过 . 是一 旦小 环通 过 , 让 但 它就不 能 再 向开关 传递 能量 , 它被 棘齿 卡 在 了 

另一 端 .  

这 个过程 与 麦克斯 韦 10年前 的著 名构 想 , 来被 称 为“ 克斯 韦妖 ”的假想 实验 很相 近 . 4 后 麦 麦克  斯 韦是 这样 构想 的 , 被一 条狭 窄 通道相 连 的两个 各 自独 立 的空 间 中充 有处 于热 平衡 的气 体 . 仅 如果  有 一个 小妖 精在 狭道 上充 当看 门人 的角色 , 只让快 速 的分子 向一 个方 向通 过 , 它 让慢 速分 子 向另一 

个 方 向通过 . 过一 段时 间后 这两 个空 间就 会产 生温 差 , 果 这个 小妖 存 在 的话 , 力学 第 二 定律  经 如 热

就要 改写 .  

其 实麦克 斯韦 的构 想有 一个 漏洞 , 就是 如果 小妖 能 够 控 制 门 的开 关 , 就 必须 消 耗 能 量 . 那 它 因 

此 即便 创 造 出 了这 个妖 精 , 力学 第 二定 律也 不会 受 到威 胁 . 爱 丁 堡 的这 个 实 验 系统 中 , 妖 动  热 在 小

力就 来 自光 能 . eg L ih说 , 他们 的 系统 与 麦 克斯 韦 妖 构 想 比较 , 将 两个 隔绝 空 间 好 比 R txn o ae的两  a 端, 妖精 就是 R t a e 的单 向开关 . oa n 上 x 在吸 收 了光 能后 , o xn R t ae就具有 了将系 统驱 离平 衡 的功 能 , a   这 个功 能 与生物 体 的一些 功 能有相 近 之处 . 比如 , 当某 离 子 附着于 小环 时 , 通过 吸收 光能 , 就可 以实  现 离子 由低 浓度 到 高浓度 的逆 向扩 散 , 而这 种 逆 向扩散 是 维 持 生命 体 的一 种基 本 过 程 .eg Li h还 补  充说 :从化 学 的角 度我们 清楚 地 了解 这种 分子 运动 ( 向扩 散 ) 一个 吸收 能量 的过 程 , “ 逆 是 这点 有 助  于我们 理 解 为何 信 息 棘齿 必 须有 能量 输 入才能 工作 . ”   资料 来 源 : a r 4  2  N t e 553 u 4 ( 吴江滨 编 译 )  

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