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使系統熵倒流能否發生?
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  • 1 # 魅力科學君

    薛定諤的貓令人崩潰,但誰能簡單講明白麥克斯韋妖的恐怖呢?

    “薛定諤的貓”既是死的又是活的,這確實令人崩潰,但事實上,這就是薛定諤當年提出這個思想實驗想要達到的目的。薛定諤試圖以這隻“既死又活”的貓讓人們明白,量子力學中的“疊加態”是多麼的荒謬,然而時至今日,薛定諤的貓儼然成為了量子力學的代名詞,這是薛定諤萬萬沒有想到的。

    物理學中有四大神獸,分別為“芝諾龜”、“拉普拉斯妖”、“麥克斯韋妖”以及“薛定諤的貓”,可以看到“麥克斯韋妖”與“薛定諤的貓”齊名,那麼“麥克斯韋妖”有何恐怖之處呢?答案是“麥克斯韋妖”根本就不恐怖,與之相反,它是一隻“好妖”。下面我們來具體講一下。

    先簡單介紹一下麥克斯韋(James Clerk Maxwell),他在物理學上的成就可以比肩牛頓,當年的牛頓統一了天上和地下,而麥克斯韋統一了電磁領域,這兩人的成就交相輝映,成就了一個堪稱完美的經典物理學時代。好的,現在我們進入正題。

    空氣的溫度本質上是空氣分子熱運動的激烈程度,這是一種具有統計意義的物理量,當我們說一個封閉容器裡的空氣溫度時,其實指的是這個容器裡空氣分子熱運動的平均速度,實際上對於這個容器裡的每一個空氣分子而言,它們的速度是不一致的,也就是說它們有的快有的慢。

    麥克斯韋指出,假設將一個充滿空氣的封閉容器分成兩個區域(A區和B區),並在分界線設定一個一次只能讓一個空氣分子透過的“小門”,再假設這道“小門”有一個生物,這個生物就是所謂的“麥克斯韋妖”,它的本領是能分辨單個空氣分子的快慢程度,並且還能極快地開啟或者關閉這道“小門”。

    “麥克斯韋妖”要做的事就是,當“小門”A側的某個較快的分子接近“小門”時,它就開啟“小門”讓這個快分子移動到B,而當“小門”A側的某個較慢的分子接近“小門”時,則關閉“小門”不允許這個慢分子透過,對於“小門”B側的空氣分子,“麥克斯韋妖”卻反其道而行之。

    我們可以看到,在“麥克斯韋妖”的干預下,這個封閉容器最終會形成一個A區空氣的溫度比B區低的結果。看到這裡,可能有人會說了,這個“麥克斯韋妖”的本領似乎並沒有什麼大不了的,然而事實卻是,如果真有“麥克斯韋妖”,它將會拯救整個宇宙,這是怎麼回事呢?我們接著看。

    “熵”的概念是熱力學的主要奠基人克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)在熱力學第二定律的基礎上提出來的,簡單地講,“熵”就是指一個系統內部的混亂程度,某個特定的系統內部的混亂程度越高,“熵”就越高,反之亦然。

    克勞修斯指出,在一個孤立系統中,其實際發生的過程總是會令這個系統的“熵”增加,而對於整個宇宙而言也是這樣。隨著宇宙“熵增”的過程,所有的運動如物理、化學、機械、生命等等都將慢慢地轉變成熱運動,當宇宙的“熵”達到最大的時候,宇宙中的溫度將處處相等,整個宇宙將會一片死寂,再也不會出現任何的變化。

    (上圖為克勞修斯)

    這就是著名的“宇宙熱寂論”,這個理論告訴我們,在遙遠的未來,宇宙將會是這樣一種令人悲傷的結局,由於有著熱力學定律的支援,該理論得到了很多科學家的認同。

    透過前面的介紹,我們知道了“麥克斯韋妖”能夠按空氣分子的熱運動速度,將混亂的空氣分子自動劃分成兩個溫度不同的區域,其本質就是將一個孤立的系統變得更加有序,也就是說“麥克斯韋妖”所做的事情其實就是這個特定系統的“熵減”過程,它可以有效地避免一個孤立的系統最終變成一潭死水。如果將“麥克斯韋妖”擴大宇宙的層面,那麼整個宇宙就不會像“宇宙熱寂論”所預言的那樣走向終點,從而得到了拯救。

    需要注意的是,絕大多數科學家們都認為“麥克斯韋妖”是不存在的,原因很簡單,“麥克斯韋妖”違背了熱力學第二定律,如果真有“麥克斯韋妖”,那就可以做出第二類永動機,而事實上第二類永動機是不可能實現的。然而“麥克斯韋妖”看上去卻似乎無懈可擊,那麼問題出在哪呢?

    也許有人會說,“麥克斯韋妖”在開關“小門”的時候會消耗能量,這無疑增加了系統的“熵”,但理論上來講,“麥克斯韋妖”開門“小門”時所需的能量可以非常小,小到幾乎可以忽略不計,因此這種說法不足以反駁“麥克斯韋妖”。

    事實上,在1871年麥克斯韋提出這個假設之後的很長一段時間裡,科學家們都為此困惑不已,直到20世紀中葉“資訊熵”的概念提出之後,“麥克斯韋妖”才得到了合理的解釋。

    該理論認為,資訊就是“負熵”,想要獲得資訊,就必須產生額外的“熵”,“麥克斯韋妖”依靠資訊來干預系統,如果要獲取資訊,就必須要利用某種方式來完成(比如說利用與環境溫度不同光來照亮空氣分子),很明顯這是要消耗能量的,這就說明了在獲取資訊的過程中,“麥克斯韋妖”讓這個系統的“熵”增加了,而這個增加的“熵”是永遠不會低於“麥克斯韋妖”在這個系統中減少的熵的。

    值得一提的是,雖然孤立系統中的“麥克斯韋妖”已被科學界主流認定為不可能存在的,但是還是有一些科學家對此大感興趣,2007年2月還有科學家提出一種“人造麥克斯韋妖”,試圖利用“資訊擒縱閥”來實現孤立系統“熵減”的過程,但由於受困於能量源的問題,這個“人造麥克斯韋妖”最終沒有成功。

  • 2 # 我不買我就看看

    貓和妖沒啥關係。貓給人的感覺就是意識決定一切,然而無法證明。妖的出現本來是打算拯救世界的,因為根據熵增原理,宇宙或者地球或者社會或者什麼亂七八糟的東西,總有一天會自主的不自發混亂,宇宙不定哪天就過熱宕機了,不過這日子且呢,不用擔心,宇宙的壽險肯定比人類長。妖的出現是打算說不用擔心,沒事,有一隻妖能逆天,然而好像現在妖也是符合熵增的,也就GG了。踏實的吧,宇宙跟生命長度相比太微不足道了。

  • 3 # 立春yo

    這個問題好神秘!提問者和前面兩個回答者不是地球人吧!怕了怕了!我們地球沒有妖!你們走吧,回去你們的星球吧!

  • 4 # 愛學習物理的小貓

    首先麥克斯韋是20世紀最偉大的科學家之一,他的麥克斯韋方程組是被譽為最美的物理公式,這個麥克斯韋方程組把電和磁給統一了,這個的統一已經把物理學推向了一個高度!那麼他提出的這個妖那就肯定不簡單,看上去似乎是違反了熱力學第二定律!如果是那麼讓我們所理解,那麼就不會說是物理學上四大神獸了!

    其次熱力學第二定律已經被很多科學家認可和很多實驗驗證了它的正確性!高溫物體會自發的把熱量傳遞給低溫物體,而低溫物體不可能自發的把熱量傳遞給高溫物體而不引起其他變化,也叫熵增定律!溫度是分子熱運動的表現,分子運動越快溫度就越高,分子運動越慢那麼溫度就越低,當分子不運動時,溫度就是絕對零度,而分子是不可能不運動的,所以絕對零度是不可能達到的。一個溫度體現出來是分子平均運動的動能,40攝氏度的水裡既有運動的比平均運動快,也有運動的比平均運動慢的。

    麥克斯韋的小妖精是怎麼來的,其實整一杯低溫的水的溫度是40攝氏度,並不是每一個水分子都是一樣的運動速度的,40攝氏度只是整杯水的平均溫度,水分子肯定是有一部分速度快(比60攝氏度水分子還快),一部分速度慢(比40攝氏度水分子還慢),綜合起來的平均能量就體現出來40攝氏度。開爾文就假想在40攝氏度和60攝氏度水之間有一個小小的隔板,隔板上有一個小門,門邊有一個小精靈,當這個小精靈看到40攝氏度水這邊運動的比較快的分子運動到門口時,這個小精靈馬上就把門開啟讓這個速度快的水分子過去60攝氏度這邊,同樣的道理,當小精靈看到60攝氏度水這邊運動比較慢的水分子向門這邊運動時,小精靈也開啟門讓這個慢分子進入40攝氏度這邊,這樣操作一段時間後就會出現高溫的水就越高溫,越低溫的水就越低溫,這就違反了熱力學第二定律了。很多人都一直想做永動機,其實都是違反了熱力學第二定律。

    現在比較好的解釋是指:小妖精選擇這個分子時和開啟門時都消耗了能量,在40和60攝氏度水的系統確實感覺是違反了熱力學第二定律,但是把小妖精的系統也算上去,其實並沒有違反熱力學第二定律,因為40攝氏度的水熱量傳給60攝氏度的水,而消耗了小妖精的能量!

  • 5 # 新疆小酷

    可以簡單的這樣描述,一個絕熱容器被分成相等的兩格,中間是由“妖”控制的一扇小“門”,容器中的空氣分子作無規則熱運動時會向門上撞擊,“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格,而較慢的分子放入另一格,這樣,其中的一格就會比另外一格溫度高,可以利用此溫差,驅動熱機做功。

  • 6 # lindaba

    量子記憶缺失產生"時間之箭"所有物理學的基本定律都沒有說過時間只能向前移動,但我們從未發現任何時光倒流現象。

  • 7 # 東流不溢孰知其故

    謝謝邀請,科學大師們都特別風趣,神秘的量子力學是科學史上最為精確地被實驗檢驗了的理論,其經歷了100多年發展至今,可說是到達了人類智力征程上的最高成就。薛定諤就是量子力學的創始人之一,他創立了薛定諤方程(一個最基本的描述原子、 電子等微觀粒子運動方程),卻非常不滿意正統的哥本哈根詮釋對波函式及疊加態的機率解釋,設計了一個思想實驗-“薛定諤的貓”,看不見一個隨機機率致貓生死的結果,此貓將永遠處於同時是死又是活的疊加態,如此詭異,如此荒謬結果,引起無數科學大師困惑。

    麥克斯韋曾提出過一個有名的假想實驗,稱為“麥克斯韋妖”。當時他的設想是在兩個隔離的絕熱的容器內充滿了空氣,在兩容器(記為甲 、乙)的中間設定一個活門,有一個 “妖 ”看 管,它只讓甲室的快分子進入乙室,而讓乙室的慢分子進入甲室,這樣在“妖 的管理下,兩室的溫差會逐漸加大,從而使整個系統遠離熱力學平衡態。

    大師們的“玩笑”是事出有因的,只不過有些自然現象一時之間無法解釋,當時麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機制,比如在自然界中,許多的生物過程都可利用生物分子的某些功能趨動化學系統向遠離熱力學平衡態方向移動。這些“燒腦”科學問題,不如耐心等等,最終有一天天資聰慧的科學家們會給出詮釋的。

  • 8 # 自然的語言

    來叫我答這一道題真實情況我還不太清楚,從標題上看不管是科學家或是咱個人在日常生活中於到的事,有時弄不明白之前,就會說點是妖毛古怪,神呀:鬼呀之類的話。不明白不清楚繼續作會給生命搭進去,蘇聯科學家實驗天上的電用風箏接觸電,雷擊犧牲了。冷熱生風,風去風回雲互磨擦而生電,科學也是一步一步往前,未知的事慢慢發現正實而解迷。

    我想妖毛鬼怪的事會弄清楚的,在萬物的大家庭裡會和諧相處,互相利用的。

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