热力学第二定律是天然界的首要定律之一。实际上，热力学定律一共包含四个，但第二个定律是最有趣的意义也加倍深刻。我们今天要聊的是关于一个似乎违反热力学第二定律的思惟实验！这个思惟实验是由有名的物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)设计的。
首先，让我们认识回首下热力学的第二定律。孤立系统的总熵不会跟着时间的推移而减小。
第二定律的表述有好多种方式，但我会对峙这一条。上面的表述意味着热能永远不会自发地从冷的物体流向热的物体。请看下面的图片，有两个隔间，每个隔间都有分歧温度的空气。这些隔间之间由一堵隔热墙离隔，墙上有一扇小门，今朝处在封闭状况。假设蓝色的在10°C，红色的在50°C。当我们打开保持隔间的门时会发生什么?一样的直觉敷陈我们，50°C的空气会把热能输给另一种空气，直到系统达到热均衡。事实上，这种“一样直觉”就是热力学第二定律。第二定律是关于热能举止的偏向。从熵的角度看，系统从有序状况变为无序状况。到今朝为止，我们还没有违反这条定律，然则杂沓的状况会自行回来秩序吗?第二定律敷陈我们它不会，但麦克斯韦妖试图违反第二定律。是的，在麦克斯韦设计的脑筋实验中，熵增加了!在我们进行脑筋实验之前，我们需要认识一点温度的概念。
熵增加，直达到到热均衡温度
我们把温度与热和冷关联起来，然则从科学的角度来看，这些词没有任何意义。40°C的炎天对我们来说很热，然则与太阳的温度比拟，我们的炎天太冷了。为了避免这个相对的难题，我们使用了一个科学的温度界说。在数量上，我们将温度界说为:测量平均分子的动能
一段卵白质α螺旋的分子振动
动能是权衡系统分子振动和活动的指标。在固体物体的情形下，分子络续地振动，温度越高，振动的振幅越高。同样地，对于气体来说，温度是分子动能的器量。这是由气体的动力学理论来描述的。通用的温度测量标准，即开尔文标度，就是基于这必然义的温度测量。当温度降低时，分子的振动/活动就会减小，最终达到振动完全住手的状况。这个温度是0开尔文。
若是你细心看看温度的界说，我们用了分子平均动能这个术语。这在我们的脑筋实验中起着至关主要的感化，更要注重的是：假设我们有25°C的空气。因为温度在0开尔文以上，就会有分子的活动，分子就有必然的动能。然则有个问题，所有的分子都有沟通的动能？即所有的分子都以同样的速度活动吗？谜底是否认的。看看下图，气体分子络续地互相移动和碰撞。活动和碰撞都是随机过程，分子在每一时刻都有分歧的活动速度。气体中有无数的分子，所以我们若何才能知道每个分子的速度？为此，我们要使用麦克斯韦-玻耳兹曼分布。
气体分子活动麦克斯韦-玻耳兹曼分布
上文中我们已经竖立了一个事实：气体分子的活动速度纷歧样，如今我们想知道这些分子的活动速度。但有或者吗？或者稀有以百万计的分子，而我们没有任何确定的方式来找出每个分子的速度。为认识决这一问题，麦克斯韦和玻尔兹曼(自力地)提出了一种统计方式。数学方面的对照复杂，然则一个分布图就足以懂得分布的一样道理了。
水平轴透露氧分子的速度，垂直轴透露氧分子的数量，三种分歧颜色的图形离别透露三种分歧的平均温度。
红色：-100°C
绿色：20摄氏度
蓝色：600°C
这实际上是一个概率分布，它给了我们在特定温度局限内找到分子的概率。让我们看看红色分布线。红色的平均温度是-100℃，在这个温度下，分子的平均速度是338米/秒，但我们知道所有的分子都不会以这个速度活动。因为峰值是300米/秒，我们会发现大多数分子以这个速度活动，但也有一些分子的活动速度比平均速度慢得多或着更快。例如，大约有100个分子以800米/秒的速度活动，比平均速度快得多。还有一些活动迟缓的分子。并不是所有的分子都以平均速度活动，这是麦克斯韦思惟实验中使用的要害概念。麦克斯韦恶魔（妖）
麦克斯韦在他的《热理论》(1872)一书中写道，有一种生物或者违反热力学第二定律:
..若是我们设想有如许的一种存在，麦克斯韦妖有极高的智能，能够追踪每个分子的行踪，并能判袂出它们各自的速度。可以按照某种秩序和划定把作随机热活动的微粒分派到必然的相格里。麦克斯韦妖是耗散构造的一个雏形。如今让我们假设如许一个隔热的容器被分成两个部门，A和B，中央的隔板上有个小洞，一个能看到单个分子活动速度打开和封闭的洞，如许就只许可更快的分子从A到B，只有较慢的分子才能从B传递到A，是以，在不需要破费任何能量的情形下，他将提高B的温度，降低A的温度，这与热力学第二定律是南辕北辙的。
《热理论》，第338[1]页
这种生物后来被开尔文勋爵称为“恶魔”，因为它会损坏天然的根基定律之一，造成严重的损坏。看下面的图片。在沟通的温度下，有两个隔间，每个都有沟通温度的空气，假设是50°C。有一个分子巨细的无质量的门保持着两个隔间，而且由恶魔（上文中描述恶魔能力过人）掌握着门。这种所谓的恶魔在片子或绘画中是不会显现的。恶魔实际上是一个实体，它有能力知道每个分子的温度。能够把它想象成一个纳米标准的传感器。我们已经确定了如许一个事实：有些分子的活动速度比平均速度慢得多，甚至更快。
如今是恶魔的工作起头了。因为恶魔有能力知道每个分子的温度，它会以如许的体式打开门，快速分子(红色)将达到右边的隔间，而较慢的分子(蓝色)则会达到左边的隔间。最后，我们获得一个由两个空间构成的系统，里面的空气温度变得不相等，，而恶魔没有使用任何外部能源就做到了这一点。如今想想我们的冰箱，它把热量从热的区域转移到冷的区域，但它使用了电力来实现这一点。另一方面，恶魔在没有使用任何能源的情形下做了同样的事情。我们违反了热力学第二定律。这意味着存在自由能源！我们终于能够拥有永念头。遗憾的是，我们不会制造出任何形式的永念头。所以我们不克让恶魔违抗我们贵重的第二定律，怎么办？设坛，驱魔！
麦克斯韦脑筋实验设坛—驱魔！——物理学意义：弗成能的永念头
我人类其实很想看到一台永念头，但大天然母亲不会让这种事发生。所以第二条定律必需是准确的，那么思惟实验在哪里失败了呢？在进入驱魔之前，我们应该知道麦克斯韦从来不想违反第二定律。实际他想传达如许一种概念，即经由分子操作，第二定律就会失效。然则如何在不用耗能量的情形下操作分子？照样不纠结这个了，起头驱魔吧！
关于恶魔存在的第一个论点。一个可以测量每个分子温度的分子级恶魔真的存在吗？实际上，如许的器材并不存在，但我们更关心的是正确的温度测量，而不是恶魔的巨细。在我们的整个剖析过程中，我们没有谈到恶魔为测量温度所做的工作。无论恶魔若何测量温度，都必需使用能量。温度的测量使熵的增加比恶魔经由转换分子来降低熵的量要大得多。物理学家们相信测量过程会发生熵，这时他们认为恶魔已经死了。
当利奥·西拉德(1929年)研制出一种设想的动员机时，恶魔又新生了，在这种动员机中，恶魔似乎降低了以单个分子作为工作流体。我将简要地注释一下西拉德的引擎。
西拉德动员机
引擎是由一个分子作为工作流体构成的，当然，这里有一个恶魔。
(a)恶魔的工作是找出盒子里的一半分子在哪里。
(B)假设恶魔发现分子在右手边，如今恶魔很快地在右手边放了一个隔板，并在上面放了一个活塞
(C)因为分子在右边存在，活塞向左移动，对附在活塞上的载荷做功。最后，能够拆卸活塞，使系统回到本来的状况
(D)..在这个轮回过程中，动员机提取一些热能并将其转化为等量的功
不知从何而来，动员机把分子的热能转化成了机械能(功)。第二定律不许可如许，所以一定有一个是错的。是第二定律照样西拉德的引擎?你或者会说，这个过程中插入和拆卸活塞。但在原则这种过程是可逆的，不会发生熵。
你或者还想知道西拉德动员机有什么稀奇之处?从手艺上讲，它与最初的麦克斯韦妖没有多大分歧，但西拉德后来的视察究竟证实，这是信息论的根蒂。西拉德引擎背后的驱动力是分子位置的信息，而恶魔的决意是一个二元运算。在某种水平上，我们能够说西拉德的相关信息与二进制运算早在现代较量机显现之前就存在了。
最后，上一次驱魔是在1961年R·莱姆揭橥论文《较量过程中的弗成逆性与热生成》完成的。西拉德在测量过程中只考虑了熵的发生，而忽略了恶魔记忆的感化。西拉德的引擎经由返回到初始状况来完成它的轮回，然则恶魔的记忆并没有返回到初始状况!恶魔必需鄙人一个周期起头前抹去它的记忆。莱姆证实，删除记忆的过程会发生熵。最后，班尼特用这个来覆灭这个百岁恶魔。班尼特(1973)证实了测量过程是可逆的，所以在测量时不会发生熵。实际上，西拉德动员机发生的功是用于内存擦除，而不是测量过程。最后，在101岁的时候，恶魔死了。需要注重的一点是，尽管信息删除不是一个可逆的过程，但信息传输是可逆的。我们与恶魔斗争了一个多世纪，从中我们发现的最主要的原则是:当我们删除信息时，热能就发生了。物理学意义：信息是物理的实体
后来，莱昂在他的有名谈吐中得出了一个惊人的结论，信息是一个物理实体。 这听起来或者有违直觉，因为我们老是认为信息是一个抽象的实体。他的论点是，信息是物理的，因为它老是保留在一种物理介质中，而且受物理宇宙的或者限制所束缚。我们将信息存储在一个物理系统中，不管它是一张纸照样一个固态驱动器，物理定律(包罗经典的和量子的)掌握着这些设备的特征，这反过来限制了我们处理信息的能力。信息自己与信息有关，就像熵一般，信息是受物理定律支配的物理量。信息处理能力在两个物理范畴，即经典物理学和量子物理范畴的分歧，激发了量子信息论。最后一句话
到今朝为止，我们所商议的一切都是在理论范畴，但科学家们实际上已经经由实验证实了这一点。早在2010年，..物理学家就从信息中发生能量！
麦克斯韦毫不会想象他的恶魔在我们懂得熵和信息的过程中所造成的影响。麦克斯韦关于恶魔的设法是为了解说热力学系统的统计性质，但恶魔隐蔽了一个世纪，困扰了几代物理学家。
