什么是麦克斯韦妖精？麦克斯韦妖存在吗？

看到妖字，你可能在想：怎么科学界还搞牛鬼蛇神？

其实这只是一个假设。

什么是麦克斯韦妖？

“麦克斯韦妖”是150前詹姆斯·麦克斯韦提出的一个悖论，它违反了热力学中的第二定律。该定律是我们今天几乎所有热力系统的工作基础，自提出以来，就一直支配着宇宙的能量转换过程。

麦克斯韦设想，将一个装有气体分子的盒子，用挡板隔成两个部分，在挡板上设置一个非常小的门，假设有一个非常非常小的妖精把守门口。

气体分子速度有快有慢，我们可以把它们分成两类：一类是速度比较慢的“冷分子”，一类是速度比较快的“热分子”。

于是，这个“麦克斯韦妖”就蹲在门口附近观察，如果左边有“冷分子”撞过来，就把门打开，让它过去，然后快速关上门。

同理，它也会把“热分子”释放到左边去。

这样经过一段时间反复操作后，左边只有“热分子”，右边只有“冷分子”。

因为麦克斯韦设想的妖精非常小，门也非常轻，因此做功可以被忽略不计。

那么矛盾就来了。

麦克斯韦妖居然不怎么做功就实现了热量的逆向流动，热力学第二定律居然被推翻了？

热力学第二定律显然是对的（否则就能造出永动机），那么麦克斯韦设想的妖怪究竟在哪里出了问题？

一种观点认为，测量分子的速度会消耗能量，从而导致系统“熵增”，其实这没有触及到问题的本质。

直到香农提出了信息论后，“麦克斯韦妖是一个悖论”才变成了板上钉钉的事实。

1948年，著名数学家香农证明了信息是可以被量化的，并提出了“信息熵”；

在此基础上，1961年德国裔美国物理学家罗尔夫·朗道尔(Rolf Landauer)提出了Landauer原则。

他认为任何抽象信息都必须有物理载体，对信息的操作就意味着对物理载体的操作，而对信息的处理有些是逻辑不可逆的，因此也就会伴随着热力学上的不可逆。

朗道尔认为，在平衡态下擦除1bit的信息，至少要消耗的能量为kTln2 (k为玻尔兹曼常数，T为环境温度)。

换而言之，改变1bit香农熵所需的最低能量，是kTln2。

但什么是逻辑不可逆呢？

这是指多种不同的输入会对应同一个输出，比如擦除信息就是不可逆的，因为它会把所有的信息都输出为擦除这一个状态。

1982年，美国物理学家查尔斯·班尼特（Charles Bennett）将这些概念综合在一起，提出：麦克斯韦妖的核心是一个信息处理器。

它需要记录和存储关于单个粒子的信息，以便决定何时开门、关门。并且它需要定期删除这些信息，清一下“内存”。而根据“擦除”原理，擦除信息回带来熵的增加，将远远超过粒子分选所引起的熵减。

终于，从提出后经过了115年，麦克斯韦妖被证明是悖论，热力学第二定律也因此更加完善。

不过科学家们可没有就此作罢，他们对这个“小妖精”一直热情不减。

虽然最终麦克斯韦妖并不违反热力学第二定律，但是我们有没有可能造出真正的麦克斯韦妖呢？

进入21世纪后，大家真的开始试着在实验室造“妖”了！

最早在2007年，科学家们用一种光能门，实现了一种麦克斯韦妖系统：

2010年，日本物理学家在《Nature》发表了一篇论文，以西拉德发动机概念为基础，研究出了如何将纳米级珠子诱导上螺旋楼梯的方法。

2013年，德国科学家用一对相互作用的量子点(只有几纳米宽的微型半导体)建造了一个麦克斯韦妖实验装置。

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