薛定谔的猫令人崩溃,但谁能简单讲明白麦克斯韦妖的恐怖呢？

薛定谔的猫令人崩溃。但谁能简单讲明白麦克斯韦妖的恐怖呢？
“薛定谔的猫”既是死的又是活的。这确实令人崩溃。但事实上。这就是薛定谔当年提出这个思想实验想要达到的目的。薛定谔试图以这只“既死又活”的猫让人们明白。量子力学中的“叠加态”是多么的荒谬。然而时至今日。薛定谔的猫俨然成为了量子力学的代名词。这是薛定谔万万没有想到的。

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物理学中有四大神兽。分别为“芝诺龟”、“拉普拉斯妖”、“麦克斯韦妖”以及“薛定谔的猫” 。可以看到“麦克斯韦妖”与“薛定谔的猫”齐名。那么“麦克斯韦妖”有何恐怖之处呢？答案是“麦克斯韦妖”根本就不恐怖。与之相反。它是一只“好妖” 。下面我们来具体讲一下。
先简单介绍一下麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。他在物理学上的成就可以比肩牛顿。当年的牛顿统一了天上和地下。而麦克斯韦统一了电磁领域。这两人的成就交相辉映。成就了一个堪称完美的经典物理学时代。好的。现在我们进入正题。
空气的温度本质上是空气分子热运动的激烈程度。这是一种具有统计意义的物理量。当我们说一个封闭容器里的空气温度时。其实指的是这个容器里空气分子热运动的平均速度。实际上对于这个容器里的每一个空气分子而言。它们的速度是不一致的。也就是说它们有的快有的慢。

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“麦克斯韦妖”要做的事就是。当“小门”A侧的某个较快的分子接近“小门”时。它就打开“小门”让这个快分子移动到B 。而当“小门”A侧的某个较慢的分子接近“小门”时。则关闭“小门”不允许这个慢分子通过。对于“小门”B侧的空气分子。“麦克斯韦妖”却反其道而行之。

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我们可以看到。在“麦克斯韦妖”的干预下。这个封闭容器最终会形成一个A区空气的温度比B区低的结果。看到这里。可能有人会说了。这个“麦克斯韦妖”的本领似乎并没有什么大不了的。然而事实却是。如果真有“麦克斯韦妖” 。它将会拯救整个宇宙。这是怎么回事呢？我们接着看。
“熵”的概念是热力学的主要奠基人克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）在热力学第二定律的基础上提出来的。简单地讲。“熵”就是指一个系统内部的混乱程度。某个特定的系统内部的混乱程度越高。“熵”就越高。反之亦然。
克劳修斯指出。在一个孤立系统中。其实际发生的过程总是会令这个系统的“熵”增加。而对于整个宇宙而言也是这样。随着宇宙“熵增”的过程。所有的运动如物理、化学、机械、生命等等都将慢慢地转变成热运动。当宇宙的“熵”达到最大的时候。宇宙中的温度将处处相等。整个宇宙将会一片死寂。再也不会出现任何的变化。

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（上图为克劳修斯）
这就是著名的“宇宙热寂论” 。这个理论告诉我们。在遥远的未来。宇宙将会是这样一种令人悲伤的结局。由于有着热力学定律的支持。该理论得到了很多科学家的认同。
通过前面的介绍。我们知道了“麦克斯韦妖”能够按空气分子的热运动速度。将混乱的空气分子自动划分成两个温度不同的区域。其本质就是将一个孤立的系统变得更加有序。也就是说“麦克斯韦妖”所做的事情其实就是这个特定系统的“熵减”过程。它可以有效地避免一个孤立的系统最终变成一潭死水。如果将“麦克斯韦妖”扩大宇宙的层面。那么整个宇宙就不会像“宇宙热寂论”所预言的那样走向终点。从而得到了拯救。

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需要注意的是。绝大多数科学家们都认为“麦克斯韦妖”是不存在的。原因很简单。“麦克斯韦妖”违背了热力学第二定律。如果真有“麦克斯韦妖” 。那就可以做出第二类永动机。而事实上第二类永动机是不可能实现的。然而“麦克斯韦妖”看上去却似乎无懈可击。那么问题出在哪呢？
也许有人会说。“麦克斯韦妖”在开关“小门”的时候会消耗能量。这无疑增加了系统的“熵” 。但理论上来讲。“麦克斯韦妖”开门“小门”时所需的能量可以非常小。小到几乎可以忽略不计。因此这种说法不足以反驳“麦克斯韦妖” 。