麥克斯韋妖因何神奇

李淼

一群濱州州立大學的物理學家用一種神奇的方式實現了更加神奇的麥克斯韋妖，這只妖不是一個一個地觀察原子，而是一次性地觀察了所有原子。這種方法使得他們得到創紀錄的低溫度。

麥克斯韋是19世紀人，他提出的一個思想實驗，就是著名的麥克斯韋妖。今天，我們為什么要談這個老話題呢？原因是，最近有一群物理學家利用麥克斯韋妖將一群處于很冷很冷狀態的原子變得更冷，這個方法將來也許可以用來實現量子計算。

那么，什么是麥克斯韋妖呢？

我們知道，導熱現象有一個很常見的規律，就是熱量從來都是從溫度高的地方向溫度低的地方傳導，比如說，我們將冰塊放進一杯溫水里，稍微等一下，冰就會融化。這個現象說明原本是冰的那塊固態水吸收了周圍溫水的熱量融化了，而周圍的溫水因為釋放出熱量溫度也降低了，這就是熱量從溫度高的地方向溫度低的地方流。我們從來沒有見過相反的現象：本來溫度一樣的一杯水，突然中間一塊水結成了冰，而周圍的水溫度更高了。

溫度低的地方只會吸收熱量，溫度高的地方只會釋放熱量，這是常識，在物理學中這個現象被總結成一條定律，就是熱力學第二定律。

1871年，英國著名物理學家麥克斯韋設想了一個思想實驗，他假想，將一杯水用一塊板隔開，這塊板是絕熱的，也就是不傳遞熱量。然后，在板上開一個特別小的窗口，每次，只有一個水分子可以通過。再接下來，設想一個很小很小的小人兒，也就是麥克斯韋妖了，這個小妖站在那個很小的窗口觀察，當看到一個速度較高的水分子，他將這個分子放進窗口的右側；當他看到一個速度較低的水分子，他將這個分子放進窗口的左側。隨著時間的流逝，右側水中的水分子速度都比左側的水分子速度高。那么，結論是什么呢？因為麥克斯韋在此之前就知道，水的溫度高，水分子的速度就大，水的溫度低，水分子的速度就小。于是，麥克斯韋妖實現了一件事，左側的水溫度越來越低，右側的水溫度越來越高，也就是說，左側水的熱量向右側水流。這完全違反了我們的常識，也就是違背了熱力學第二定律。

熱力學第二定律在物理學中幾乎是一條鐵律。除了溫度高的熱量向溫度低的地方流，還有很多類似的現象。比如說，一滴墨水滴進清水里會散開，我們不會見到相反的現象，散開的墨水會突然聚攏成為一滴墨水。用更加流行的話來說，熵只會越來越大，而不會越來越小。更加常見的例子是，我們不用耳機線時會將耳機線整理好，放進口袋里，但非常惱人的是，我們再掏出耳機線時，這個耳機線不出意外地總是又亂成一團。

回到麥克斯韋妖。這只小妖如果存在的話，就會將熵變小，事實上，如果溫度低的水溫度越來越低，溫度高的水溫度越來越高，熵確實會越來越小。既然這樣，麥克斯韋妖做到了讓一杯水的熵變得越來越小。這當然違背了熱力學第二定律，因此，麥克斯韋妖應該不存在才對。

那么，最近為什么有人能夠利用麥克斯韋妖將一群冷原子變得越來越冷呢？其實，在上世紀中葉，就有物理學家發現，麥克斯韋妖可以實現，但并不破壞熱力學第二定律。為什么可以這樣呢？因為，假設麥克斯韋妖實現了，它每次開窗口的時候，其實自己要在別的地方拿來能量，否則開了很多次窗口它會累死。這種消耗能量的過程，讓整體的熵變大。最近，一群濱州州立大學的物理學家正是用一種神奇的方式實現了麥克斯韋妖。只不過，他們的麥克斯韋妖更加神奇，這只妖不是一個一個地觀察原子，而是一次性地觀察了所有原子。這種方法使得他們得到創紀錄的低溫度。