【科學科普】物理學中的四大神獸之一:「麥克斯韋妖」與「薛定諤的貓」齊名,它有何恐怖之處?

天空之城 2021/01/18 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知识不会,只是姿势不对;科学凡此种种,用人话讲才能听懂

文/天空之城

 

「薛定諤的貓」既是ㄙˇ的又是活的,這是非常令人難以接受的,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。薛定諤試圖以這只「既ㄙˇ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,那麼它有何恐怖之處呢?答案是「麥克斯韋妖」根本就不恐怖,與之相反,它是一隻「好妖」,今天我們就來講一下「麥克斯韋妖」有什麼本領。

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。

(上圖為麥克斯韋)

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),並在分界線設置一個一次只能讓一個空氣分子通過的「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,並且還能極快地打開或者關閉這道「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,它就打開「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」不允許這個慢分子通過,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ㄙˇ寂,再也不會出現任何的變化。

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