4.2 麦克斯韦妖 在一八六零年间， 物理学家：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦想出了一个悖论 这有关于热力学第二定律 这个悖论叫：麦克斯韦妖。 这个悖论相关于两个空间里的气体。 就像前个影片里NetLogo的模型一样。 如前次，这两个空间被格开，但留有一个小通口。 这次，小通口有一扇活板门，小妖操作这活板门。 小妖不可怕，单纯地他很聪明又娇小， 可以量分子飕飕飞过他时的速度。 在麦克斯韦的提法，小妖把活板门开了， 让快的分子从左边空间飞到过右边空间。 但如果快的分子要从右边空间飞到过左边空间，小妖就把活板门关上，不让过。 类似的，小妖让慢的分子从右边空间飞到过左边空间。但不反之亦然。 一段时间后，就会右较多快的分子在右边，而慢的分子多在左边。 这系统进入更有序的状态， 应为小妖把慢的分子和快的分子挑选分开了。 这也表示说，系统里总的熵降低了。 这是NetLogo麦克斯韦妖的模型。有在NetLogo模型库中。 它在GasLab部段里，叫做：GasLab Maxwell's Demon。 让我们先按设定（setup）。 这里又是分子，这些飞行中的小绿点， 相互碰撞，按照物理定律，相互转让能源， 但这次，我们有个小妖在中间。 我们看不见它， 但我们可以看到活板门。 小妖将测量粒子的速度， 只让快的分子飞到过右边空间，和慢的分子飞到过左边空间。 让我们开始。按“go”。 当它们相互碰撞时，有一些分子增加能原，有一些分子失去能原。 红色的是快的分子，蓝色的是慢的分子 和绿色的是中速度。 逐渐地，小妖让快的分子飞到过右边空间， 和慢的分子飞到过左边空间。 我们看到， 右边平均速度在增加， 左边平均速度在减少。 如我加快一点，让程序执行多一会儿。 我们居然能看得更清楚。 那么现在，你看到平均 右边开始移动得比左边快。 因此在情况里， 我们看到和以前NetLogo模型的相反。 这里，气体一开始是无序，高熵的；慢慢的转换成有序的状况。 那就是说，快粒子和慢粒子被分选开来， 系统的熵也下降。 现在，根据热力学第二定律，如要减熵，一些加功（工作力）是必要的。 这里的功力（工作力）在那里？ 小妖是把活板门开和关起来，这需要功力， 但，麦克斯韦争论着说：活板门可以巧妙的设定， 使总结果里，活板门开关的功力比 熵所降低的值量少。 实际上, 自从麦克斯韦提出这个悖论以来， 一些可能实行的活板门设计，有被提出。 麦克斯韦的悖论是要没有花上其它功力。 套用他的说法，“热的系统，那就是右边的，变得更热 而冷的，那就是左边的，变得更冷， 然而，没有任何的加功， 只采用了一个有细心观察又利落明快的小聪明。” 麦克斯韦对力学第二定律的看法是，它根本不是一个定律， 而是他所谓的“统计确定性，” 一个对大量分子有实际的真理，而对单个分子就不完全却定。 那就是说，原则上，熵有可能自己下降， 从而违反了热力学第二定律。 但在实践中，这是从来没有见过的，因为 在统计上，熵更有可能自然的增加。 我们在下个单元将讨论其原因。 他的著作“热论”出版后， 这个悖论广为人知，而在科学界里被争论。 有些人把它看作为在反驳第二定律， 但其他人，却把它看作为卫护：热力学第二定律是一个真正大自然的法则。 这些怀疑论者认为， 事很可疑， 可能有难言之隐。 这种情愫状态持续了很多年。 一值到了1929年，匈牙利物理学家：利奥·西拉德有一个建议，掀开这悖论的难言之隐。 那就是小妖的小聪明， 更正确的是：从测量而取得信息的行为。 西拉德建议，这种测量的行为 本身需要能量 即使该过程是隐藏在 小妖的大脑里面， 而且，这能量的需求确切地 补偿了（相等于）气体中的熵的减少度。 西拉德出明的文章， “关于热力学中的系统熵由智能生物介入而减少，“ 是第一次被提出：熵和信息是有关联的。 这个关联成了许多研究范围的基础，但它却花了西拉德很大的功夫。 麦克斯韦没有认出他小妖的小聪明或小妖的细心观察力 为联息到力学的系统。 当初，我们强烈的认为气体的物质领域 和小妖的智力领域，从能源观念来看，是完全分开的。 但西拉德观察到，顾及测量过程 那就是妖决定粒子是否快还是慢 是了解整个热力学系统的关键。 西拉德也想出了 一位元（bit）信息的概念， 一位元是那所需要答复粒子快慢的信息的量值， 或“是”和“不”，或任何有”阴阳“（两个可能性）答案的问题。 当然，计算机科学领域 采用了“位元”这个术语 用于描述计算机内存， 它用一和零来代表。 许多人采用了西拉德原来的见解，特别是 物理学家罗尔夫·兰道尔和数学家查尔斯·埃米特， 他们与其他人开创了新的科学领域叫信息物理学， 并提出了激进的想法， 信息本身是物质性的。 这个想法从，热力学范围中的极限来说， 对什么可被计算的极限，有深刻的含义。 信息物理学从许多不同的书籍广范起来 而且还被量子力学和电子学 采用， 在这学术中，纳米级麦克斯韦妖实际是可以被建成的， 以及最近在生物学中，麦克斯韦妖的概念 作为一个生物系统中的基本机制，已经被提出。 如果你要更深刻的了解麦克斯韦妖的含义 在信息物理学科里，有两本杰著 编辑是哈维·莱夫和 安德鲁·雷克斯，它们都被称为“麦克斯韦妖”， “麦克斯韦妖1”和“麦克斯韦妖2”. 这两本书会有点技术性，但是及好读物 如果你要很深刻的了这个主题 以及关于麦克斯韦妖和第二定律，持续的争议。