19世纪物理学界一个著名的思想实验,无需消耗能量就能创造秩序?
19世纪中期,萨缪尔·摩斯找到了操作,处理和传递信息的新方法,从几千年前发明了文字起,到如今能高速传输高度抽象的金属格子,信息传输技术达到了顶峰。对于19世纪末的人们来说,操纵和传播信息的能力似乎已经达到了顶峰,不过他们大错特错了,信息比任何人想象的都要更重要更基础。
人们很快就发现,信息不仅关乎人们的交流,它的意义要深远得多,信息真正的本质会因为一个奇怪的问题得以揭露,一个杰出的苏格兰物理学家所想出的问题,他就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。
在他的众多兴趣中,麦克斯韦对热力学最为着迷,蒸汽机诞生后,关于热和运动的研究也随之兴起,而麦克韦斯是最先认识到热量实际上就是分子运动的人之一,东西越热,分子运动的速度就越快,这个想法将使麦克斯韦想出一个奇特的思想实验,在这个实验中,信息是关键。
麦克斯韦推论,只要知道一盒空气中发生了什么,就能使其中一半变得更热而另一半变得更冷,把它想象成不用消耗任何能量,就能在冰箱旁边建一个烤箱。
这听起来很疯狂,但麦克斯韦的论点非常有说服力。想象一个小恶魔停在盒子上面,他的视力很好,能准确观察盒子里所有空气分子的运动。最重要的是他控制着将盒子分成两半的隔板,每次他看到一个快速移动的分子从右边接近隔板时,他就把隔板打开,让它去左边;而每次他看到一个缓慢移动的分子从左边靠近隔板时,他就把隔板打开,让它去右边。
而接下来你能猜到会发生什么。随着时间的推移,所有快速运动的热分子会堆积在盒子的左边,所以缓慢运动的冷分子会堆积在盒子的右边。重要的是,恶魔所做的只是对分子的运动信息进行了分类。麦克斯韦的恶魔似乎在说,只要有关于分子的信息,就可以从无序中创造出秩序,这个想法在19世纪的思想中就出现了!
热力学很清楚地表明,随着时间的退役,宇宙的熵,无序性总是会增加,一切注定会土崩瓦解。但恶魔似乎在暗示,可以不消耗任何能量就可以把东西变回原状,通过使用信息就能创造秩序,而这被证明是一个极其困难的问题,而聪明的麦克斯韦有了一个远远领先于他的时代的想法。
麦克斯韦对物理学界产生了很大的影响,他想出了这个复杂的概念,在某种意义上,他已经预想出了信息这个当时完全不存在的概念,那个想法非常令人震惊,麦克斯韦本人并没有给出解答方法,他只是将问题提出来供大家解决。在接下来的一百多年里,为了解决那个问题,产生了很多激动人心的辩论和发展!
那么麦克斯韦的恶魔到底在干什么?听起来可能有些不切实际,但想像一下,如果我们能在现实世界中建造一个类似模仿恶魔行为的机器,在纯粹使用信息的情况下,我们就可以用它来加热一杯咖啡或者运行一个引擎,或者给一个城市供电,就好像我们可以在宇宙中创造秩序而不消耗任何能量一样!
信息似乎能够打破物理定律,但事实并不是那样,它无法打破。麦克斯韦的恶魔之所以不能免费获得能量是因为他的大脑。人们发现,恶魔的确只利用信息就创造出了有用的能量,但这并不意味着他能不劳而获。
记住恶魔的工作机制,他看到盒子的一边有个快速移动的分子,于是他打开隔板,让它过去另一边,但每次他这样做的时候,他必须在记忆力储存关于那个分子的速度的信息,很快他的记忆就满了,只有删除一些信息时才能继续,重要的是,这种删除行为会消耗能量。
恶魔需要记录哪些分子在向哪移动,如果记录装置大小有限,在某个时候,恶魔不得不将其擦除,这是一个增加宇宙的熵的不可逆过程,正是对信息的删除导致了熵永远在上升!