麦克斯韦妖:打破物理定律的思想实验
想象一个装满气体的密封容器,容器被隔成两个独立的隔间。在每个隔间中,有一个小门,可以由一个微小的“妖”来控制。这个妖非常聪明,它可以观察气体分子并以一种特殊的方式控制小门。
麦克斯韦妖的行动原理:
1. 妖观察气体分子,等待一个快速分子撞向隔膜。
2. 当一个快速分子撞向隔膜时,妖打开它所在隔间的小门,让分子通过。
3. 妖同时关闭另一边隔间的小门,防止低速分子通过。
4. 重复上述步骤,妖将所有快速分子集中在一个隔间,而低速分子集中在另一个隔间。
结果:
通过这种方式,麦克斯韦妖可以创造两个具有不同温度的隔间——一个由快速分子组成的热隔间和一个由低速分子组成的冷隔间。这违反了热力学第二定律,该定律指出热量会从热物体流向冷物体,而不是相反。
悖论:
麦克斯韦妖似乎打破了热力学的定律,这导致了一个悖论。如果这个思想实验确实是可行的,那么热力学第二定律就不再是普遍定律了。
解决悖论:
后来,物理学家们证明了麦克斯韦妖的悖论可以通过引入“信息熵”的概念来解决。当妖观察气体分子并做出决定时,它会增加系统的熵(无序度)。这种熵的增加足以抵消热量从冷隔间流向热隔间的效应,从而维持热力学第二定律。
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