綜述

在小孩子的課本上，我們經常會看到一些有趣的設計，比如為了吸引他們的注意力，會利用一些造型可愛的卡通形象來引導閱讀或者思考，像是小動物、小精靈一類的，或者索性就把它們放到題目當中去，設定成問題的內容，不過你可能想不到，這些虛擬的小人不只是在兒童的課本上，就連專業的熱力學研究當中也會用到，著名的麥克斯韋妖模型就是一個例子。

麥克斯韋妖

當然，麥克斯韋妖並非一個簡單的出於教學目的所做的形象設計，它是實實在在代表著一個物理學概念的。在解釋麥克斯韋妖之前，我們要先來回顧一下中學物理的內容，在熱力學的章節，課本中曾經提到過熱力學第二定律，具體內容是在自然狀態下，物質的熱量總是自發地從高溫流向低溫，並且這個過程是不可逆的。

也就是說，不存在這樣的熱源，它能夠將熱量傳導給比自身溫度還要高的熱源，一個高溫熱源和一個低溫熱源之間如果有了導熱路徑，那麼方向永遠只能是從高到低，就像水往低處流一樣恆定不變。

歷史上有許多研究者試圖將這一定律推翻，然後製造出所謂的第二類永動機，這種機器能夠直接從某個熱源上獲得熱量，然後透過轉化將其變成可供人類使用的動能，這些人甚至希望這整個過程可以實現零損耗，像抽血一樣把特定熱源中的熱量完全吸收乾淨。不過要想把這些設想都變成現實，首先要做的就是找到熱力學第二定律的漏洞，只有從這個漏洞當中，才有可能找到突破的關鍵。

這個看起來異想天開的嘗試實際上吸引了很多物理學家，畢竟所謂的定律其實也只是暫時沒有被推翻而已，所以針對這個定律衍生出了許多的研究，其中有一個就曾經受到過廣泛的關注，也就是麥克斯韋妖理論。

麥克斯韋妖理論誕生於1871年，是由當時有名的英國物理學家詹姆斯麥克斯韋提出來的，這個理論建立在一個看起來非常簡易的模型上。在他設計的這個熱力學模型中，麥克斯韋首先設定了一個隔絕熱量的環境，然後在其中放置了一個容器，這個容器也被隔熱的材料分成兩個等體積的空間，經過除錯之後，兩邊的熱力環境相同。

那麼麥克斯韋妖是什麼呢？為了實現容器裡兩個空間的熱量交換，麥克斯韋在隔熱板上設計了一個小開口，並且為這個開口裝上了一道門，麥克斯韋妖就是守衛這道門的門衛，由他來決定可以讓哪些熱分子透過。

巧思還是漏洞？

麥克斯韋妖要完成的任務是讓這個空間裡的分子實現做功，並且要獲得一個最大值，這就需要他首先將熱分子和冷分子分離開來，在兩邊製造出一個最大溫差，具體就是當兩邊分子因為運動撞上這道門的時候，他會開啟門，讓對應的分子進入到一邊空間，而不符合要求的就被留在原來的地方。

麥克斯韋妖的設計可以說非常巧妙，這並不是說他真的找到了熱力學第二定律的漏洞，可以實現特定熱源不發生消耗並完成自主做功，而是它透過虛擬的思維方式成功逃脫了實操所必然面對的困難，事實是，這個看起來完美解決了熱分子流動方向的角色，本身也在整個實驗中發生了做功，而做功就意味著會消耗這個容器中的熱能。

也就是說，在不斷分離熱分子和冷分子過程中，熱分子的數量是在減少的，因為麥克斯韋妖需要不斷地吸收熱分子來獲得開門、關門的能量，這樣一來，每一次做功時，容器內的熱量都會比上一次要少，最終，熱量還是會消耗殆盡，無法實現一開始的目的。

麥克斯韋妖是整個模型成立的核心，但是他也成了最大的漏洞所在，麥克斯韋本人給出的解釋是，這個妖怪的做功是無限趨近於零的，甚至其存在本身就是無限趨近於虛無的，但是這並不足以反駁上面的質疑。

那麼在實際操作中，麥克斯韋妖到底是個什麼樣的角色呢？70多年之後，夏農提出了資訊熵的概念，也就是說，資訊本身是應該被量化的，物理學模型中的所有內容都可以用資訊來表示和計算，如果麥克斯韋妖無限趨近於虛無，這就意味一部分資訊也就是能量被拿走了，並且是永久性的，否則就是實現了熵減，這當然是不可能的。

結語

現代科學最大的特點就是精密，任何條件的設定都不能是無中生有，它必須要絕對合理，一點錯誤都不容許出現，所謂失之毫釐，差之千里，麥克斯韋妖再小，也要經得住實踐的檢驗才行。