一、小妖工作之析
前文说,麦克斯韦妖是从一位英国物理学家的脑子里构造出来的,俄裔美国物理学家又描绘了它的模样与能耐,既然是物理学家构造和描绘了这只妖,就一定是与许多物理问题相关联的,这些物理问题展开,就是对麦克斯韦妖的逐步介绍与剖析,也是后续文章要展示的内容。
我们可以先对小妖的工作状况做一个仔细考察,看与哪些物理问题相关。
在通常情况下,分子1秒钟能跑好几百米,能与其他分子发生上亿次的碰撞,小妖能在这种情况下进行准确、有效的工作,其工作强度、难度可想而知,人类中绝没有一个人会做得到,未来的机器人也许能完成这样的操作,但按麦克斯韦先生的说法,麦克斯韦小妖做到了,还不消耗一点能量,这样连最神的机器人也不可能做到这一点,因为它不能满足物理中关于能量的规律。
小妖在阀门旁,能正确、迅速地打开或关闭阀门,让阀门不断来回滑动,使快分子跑到容器的右室,又使慢分子跑到容器的左室,从而使容器两边分子的平均速率有了差别,即右室分子的平均动能要大于左室,又因为温度是容器内大量分子无规运动剧烈程度的量度,右室分子运动速率大,相比左室运动要剧烈,这样容器两边温度也就有了差别,右室会热起了,左室会冷下去。
很显然,从上面的分析来看,小妖的工作涉及了两个重要的物理学概念:一个是“能量”;一个是“冷热”。