我们常常因为现在而限制了自己的思想。
——坤鹏论
坤鹏论在《坤鹏论：熵这只时间之矢要将宇宙带向死寂？》、《坤鹏论：物理学神兽之拉普拉斯兽和薛定谔的猫》讲了物理界的三只神兽。
今天就再好好说说麦克斯韦妖，这个我们就算把四只神兽收集齐了。
一、曾经物理学家接受不了概率和统计
在《坤鹏论：如果生命可以永恒 热力学第二定律就是个笑话》我讲到了两点：
第一，热力学第二定律只是统计上成立的定律；
第二，能量可用与不可用因人而异。
特别是第一点，让当年一直笃信牛顿大神的物理学家们难以接受，更难以相信。
因为，这个物理现象如此重要，且根据传统的物理学理论，混合气体完全可以自发地分成冷热两边。
结果，玻尔兹曼说，它主要是因为概率和统计学而不能实现。
而且这位还是以当时根本就看不到摸不到，且没有定论的原子假说为基础进行的推断。
这不科学！忒不科学！一派胡言乱语！
是的，人类科学，一直以确定性为奋斗目标。
这是因为人类天性就是追求确定性，很难接受概率的“模棱两可”。
这个世界上，但凡逆向的事，特别是逆大多数人的事，都不是小事。
就像以概率为核心的统计力学，它有多么伟大，是有实例为证的。
1905年，爱因斯坦写了五篇论文，篇篇都是诺贝尔奖的有力竞争作品。
所以，这一年史称爱因斯坦奇迹年。
而这五篇论文中就有两篇是关于统计力学的。
二、天上掉下个麦克斯韦妖
1867年，物理界天才榜第三的牛人麦克斯韦提出了一个思想实验来证明热力学第二定律的局限性。
他同样设想了一个密闭的容器，同样被分为A和B两部分。
在A和B分隔的隔板中间有一小孔，上面有个闸门，可以打开和关闭。
同时他又设想了”一个有限的存在物“。
麦克斯韦的想法是，既然分子都遵循概率，那就引入一个第三者，一个跳出三界外，不在五行中第三者——有限的存在物。
这个有限的存在物就被安排在闸门旁边。
它唯一的任务就是开关闸门，除此之外在系统中不做其他任何功。
它的眼神极为犀利，只靠观察就可以通晓所有分子的轨迹和速度。
所以，它能够看清飞来的分子，能够判断它们运动的快慢，并能够选择是否让其通过闸门。
比如：让快分子从A跑到B，慢分子从B跑到A。
同时，它的动作敏捷异常，在看清分子的速度并决定开闸门让其通过时，绝对不会错放任何一个其他分子。
如此这般一段时间后，这个有限的存在物就改变了密闭容器气体原来的分布概率。
它让越来越多的快分子聚集到了B区域，越来越多的慢分子聚集到了A区域。
之后结果便是：
聚集到B的快分子，相互作用下，运行得越来越快；
聚集到A的慢分子，同样是相互作用下，运行得越来越慢。
我们已经知道，分子运动越快，温度越来越高。
这样，这个有限的存在物就在不消耗能量，无需要做功的情况下，实现了使B区域温度升高，A区域温度下降。
密闭的容器中产生了温差，而热力学第二定律揭示了，有温差有能量。
正如麦克斯韦所说：“热的部分变得更热，冷的部分更冷。无需作功，只用了一个敏于观察 、手指灵巧的生灵所具有的智能。”
就是这个有限的存在物，使热量自动从低温部分传向高温部分，改变了普通概率，系统的熵降低了。
热力学第二定律受到了挑战。
让我们想想看，这个有限的存在物为什么能够改变概率？
一是，它知道哪一个分子快，哪一个分子慢，快和慢，就是信息；
二是，它的动作敏捷，不会错过任何一个分子。
这里面最关键的还是一，也就是分子快和慢的信息。
开尔文特别特别喜欢麦克斯韦的这个思想实验，在不少场合提到它。
他将这个有限的存在物称为妖，比如：”麦克斯韦的智能妖“、”麦克斯韦的筛选妖“，最后直接简称为“麦克斯韦妖”。
麦克斯韦妖就是物理学四大神兽之一。
开尔文对它的描述是：”这一妖精是有智能的生灵，具备自由意志，且触觉和观察能力高强的使它具有观察和影响物质单个分子的本领。“
”麦克斯韦妖与真的活动物的差异无非在于它极其小而灵巧——它不能创造或清除能量——它将少量的能量储存起来，而在要用时拿出来……“
1870年，麦克斯韦致瑞利的信中再次提到："非常机灵、具有显微眼的守门人。"
1871年，麦克斯韦将这个妖怪写进了他的《热的理论》这本教科书。
该书不仅有专门讲热力学第二定律局限性的章节，他还重新修订了麦克斯韦妖思想实验的描述，并提出了它与“热力学第二定律产生矛盾”的论点。
《热的理论》中对热力学的总结蛮到位，且非常严谨，坤鹏论也将其分享给大家，请大家一起细细品味学习：
“热力学所确立的最可靠的事实之一在于，一个封闭于容积不变而且不导热的罩壁之中的系统，温度和压力处处保持均一。如果不做功的话，不可能产生温度或压力的不均匀性，这就是热力学第二定律。如果我们只和大量的物质打交道，而无法辨识或处理组成它的个别分子，这无疑是正确的。”
有人说，麦克斯韦妖是为了驳斥热力学第二定律的。
其实不然！
物理学界普遍的认识是，麦克斯韦提出妖精的本意并不是推翻第二定律。
而是在于指出它有局限性，并用这个思想实验证明，这个定律只具有统计上的可靠性。
当然，热力学第二定律虽然不能说必然，但并不妨碍它成为科学的基本定律。
正如麦克斯韦所说的：“热力学第二定律等同于真理的程度与下述命题等同于真理的程度相同：把一杯水倒入大海以后，就不可能再取回同一杯水。”
对，用咱们的成语讲，这叫覆水难收。
麦克斯韦妖受到了几代物理学家的关注，有关它的讨论，今天仍在。
目前，它的内涵已经发展得比麦克斯韦当初设想的更加丰富。
相信麦克斯韦根本就不会想到，他的妖会如此广为流传，如此经久不衰。
法国数学家亨利·庞加莱曾这样写道：“只有像麦克斯韦妖这样拥有无限敏锐的感官的存在物，才能梳理这团乱麻，并扭转宇宙不可逆的走向。”
最后，从物理学四大神兽我们还可以得出个结论，形象思维在物理学也有它的地位。
正如之前说过的，有些科学史上最伟大的进展 ，就是因为有个聪明人发现了有用的比喻。
三、齐拉特为信息论开创了先河
1991年，波兰物理学家斯摩罗柯夫斯基在一次演讲中表示，麦克斯韦妖身体尺寸微小，在大量分子碰撞下会变得头昏眼花，根本无法正常地操纵闸门，这样闸门又变成无规则地开关了，第二定律不会失效。
后来，爱因斯坦的一位学生，年轻的匈牙利裔物理学家利奥·齐拉特，也开始对麦克斯韦妖产生了兴趣。
齐拉特是一位想象力极为丰富的科学家。
他曾提出了电子显微镜、直线加速器、回旋加速器等设想。
1934年，他构思出了原子核连锁反应的设想：
一个中子引起一个原子分裂，释放出两个中子，这两个中子又能使两个原子分裂，如果继续分裂就形成连锁反应。
他预见到这个反应过程将在原子弹中起重要作用。
所以，称其为原子弹之父，也并不为过。
不过，世人还是将负责原子弹研制计划的首席科学家兼主任——尤利乌斯·罗伯特·奥本海默称为“原子弹之父”。
1937年，他到了美国，并充分认识到必须要比德国更早制造实用的原子弹，因为当时报纸已公开报导了裂变实验的消息。
尽管报界的编辑和主编们并没有意识到裂变的意义，但齐拉特却一阵阵不寒而栗。
他说服美国物理学家不要再公开这方面的工作，以免给德国人以任何启发。
1939年，齐拉特从哈恩所实现的铀裂变中看到了一个能付诸实践的连锁反应。
那年夏天，他和维格纳、特勒（都是匈牙利难民，特勒是氢弹之父）一起，说服爱因斯坦写了一封著名的信（实际上是齐拉特执笔的）寄给罗斯福总统。
于是，试制第一颗原子弹的“曼哈顿工程”开始了。
齐拉特在芝加哥和费米合作，从事研制第一台自持式反应堆。
1943年，原子弹一经研究成功，在见识了它的威力后，齐拉特和多数科学家一起反对起自己的工作，要求不要使用原子弹，或者至多只能用于无人区以作示威。
就像前面那句成语——覆水难收一样，这么牛的武器制造出来了，怎么可能被收回不用，怎么可能像什么都没有发生一样呢？
最终，核灾难便降临日本的广岛和长崎。
战后，齐拉特改弦易辙，不再从事核物理研究。
1929年，齐拉特发表了题为《论由智能生灵导致一个热力学系统中熵的减少》的论文。
该论文强调了麦克斯韦妖在智能方面的作用，并用思想实验的方法设计了几种由麦克斯韦妖操纵的理想机器。
因为麦克斯韦妖即使不做功，也要不停地观察分子并控制闸门，这些都需要能量，妖也得吃饭，否则就会饿死。
只有拥有一个源源不绝的能量来源，麦克斯韦妖才能成为努力干活还不黏人的小妖精。
从这个角度，麦克斯韦的这个思想试验就成了悖论。
齐拉特认为，麦克斯韦妖必须是具有大脑的生命才能实现麦克斯韦为其赋予的职责。
但是，生物现象本身也会带来问题，“神经系统本身的存在，就是依赖于能量的持续耗散。”
他的朋友卡尔·埃卡特说的更精辟：“思考产生熵。”
于是，齐拉特的思想实验中，他将智能生命由一种无生命的设备来取代。
该设备能够取得分子位置的信息，并有记忆的功能。
但是，即使是设备，也照样需要能量来获得并存储信息，即使是最微小的能量，也是有代价的。
每处理一个分子，就是做了一次信息与能量的转换。
齐拉特发现，只要精确核算每次度量和记忆，这种转换也可以精确计算。
根据他的计算，每获取一单位的信息总会相应带来一定的熵增加。
具体来说，熵会增加klog2个单位。
麦克斯韦妖每次在两个分子间作出选择时，都会消耗1比特信息。
因此，齐拉特最有贡献之处就是证明了，信息不是免费的。
而此前的麦克斯韦和开尔文，他们都默认知识是现成地在那里。
也就是，不管分子运行的速度，还是运行的轨迹，这些知识都直接摆在麦克斯韦妖的眼前。
他们没有考虑到获取这些信息是需要成本的。
显然，这是不合理的。
齐拉特让人们明白了，信息也是物理的。
自此，麦克斯韦妖在信息和物理之间架起了桥梁。
麦克斯韦妖靠信息来干预系统，使系统逆着自然界的自发方向进行。
麦克斯韦妖每处理一个分子，本质就是做了一次信息与能量的转换。
获得信息，总会带来熵的增加。
齐拉特揭示了信息与熵之间存在的密切关系，并开创了现代信息论的先河。
因为，信息论的关键就是——度量信息。
四、麦克斯韦妖以信息为食
1948年~1949年，贝尔实验室的电气工程师香农，发表了一系列有关信息的数学理论的论文，为信息论奠定了基础。
客观讲，香农纯粹就通信的理论进行思考。
不过，同在贝尔实验室工作的法国物理学家莱昂·布里渊却洞悉了其中的更多玄机。
他将信息论和统计力学联系起来考虑，并参考了齐拉特提供的线索，在1956年出版的《科学与信息论》这本专著中，更加全面地论述了信息与熵的关系。
他认为，首先，麦克斯韦妖要看得见运动的分子，还能够判断其运动的速度，说明它不可能摸黑操作。
因此，必须要另外有灯光照在分子之上，只有这样，被分子散射的光子才能被麦克斯韦妖的眼睛所吸收，才能观察到。
这一信息取得过程，涉及的热量是从高温热源转移到低温热源的不可逆过程，会导致系统中熵的增加。
然后，麦克斯韦妖接收到有关分子运动的信息后，再通过操作闸门使快、慢分子分离，来减少系统的熵。
信息的取得会导致系统中熵的增大，而操作闸门则减少的熵。
不过，数量上不可能超过前者。
注意，这非常关键，这两个步骤全过程下来，系统的总熵还是增加的。
布里渊认为，有关熵减过程，是由于信息对麦克斯韦妖的作用引起的。
所以，信息应该被视为系统熵的减项。
即——信息的作用是负熵，也就是混乱程度减小。
正是由于这个负熵的作用，才使系统的熵减少。
但是，所有过程叠加后，系统总的熵还是有所增加的。
还记得玻尔兹曼的三个重要结论吗？
其中的第二条说，如果想让一个系统变得更有序，必须有外部能量的输入，而这个的前提是开放系统。
那么，最后说明，麦克斯韦妖只能且必须是一个可以从外部引入可有能量的开放系统。
也正因为如此，它就不违背热力学第二定律了。
在这里，信息与可用能量相当，信息的失去被可用能量的增加所补偿，所以使系统的熵减少。
如果麦克斯韦妖不做功还能使系统熵减少，就意味着必须获得信息，即汲取外界的可用能量。
而这恰恰与之前讲过的生命体以负熵为食琴瑟共鸣。
也就是，生命在活着的过程中，靠的就是不断汲取环境中的秩序（有序能量、可用能量）来抵消身体内部熵的增加。
这一下子，就使得麦克斯韦妖继续回到生命体。
正如开尔文所说，他生气勃勃。
五、人类及所有生命体不就是麦克斯韦妖吗？
让我们放飞自己的思维，只考虑能不能实现，而不要被现在能不能实现所羁绊。
其实，麦克斯韦妖并非荒唐。
只是人类目前还没有发现并驯服那么小、那么智能的生物。
或者是我们还无法制造出那么小的机器。
一旦驯服或制造出分子级的生物或机器，在分子水平上，热力学第二定律就会被随机地违背。
甚至都不需要那么智能，只要达到分子级，再被人类控制着进去一搅和，普通概率就改变了。
再让我们继续深入思考。
人们一直讨论到底有没有麦克斯韦妖，其实仔细想想，我们人类不就是麦克斯韦妖吗？
我们就是宇宙这个孤立系统中的智能存在物。
而且是渺小的存在。
我们从思考存在发展出哲学，从哲学又发展出科学。
我们制造放大镜、显微镜、望远镜、天文望远镜……不就是为了观察吗？
我们不断地去观察最小、最远，最终的目的就是控制最小、到达最远。
这不就是麦克斯韦妖所要做的事情吗？！
麦克斯韦妖的存在是为了减少系统的熵。
尽管它的运动量不大，却需要持续地观察、开关闸门。
而我们同样也在时刻不停地进行着自组织行为。
我们分拣快递、拼凑拼图、复盘棋局、收集收藏品、给麦穗脱粒、按字母顺序排列图书、创造对称形式、创作诗歌、整理自己的房间……
这些都在减少熵。
并且，所有这些活动并不需要巨大的能量，只需要保障我们能够发挥智能即可。
我们繁衍生息，我们扰乱了走向平衡态的趋势。
这里的“我们”不仅只有人类，而是所有生命体在内。
正如薛定谔所说，我们以负熵为食。
虽然我们无法对这些过程进行热力学核算，但是有一点可以确信，我们正在一点一滴、一比特一比特地减少熵。
我们比麦克斯韦妖更厉害的是，我们不仅能够降低环境的无序度，还会通过新陈代谢来减少本身的熵。
而且，像我们这样的生命体中还都藏着麦克斯韦妖，比如：酶。
酶，就像麦克斯韦妖维持温差和压力差一样，它维持着系统中的化学差别，支配着生命体的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程，与生命过程关系密切的反应大多是酶催化反应。
还有人体的肾脏，它的功能在于排泄废物并调节失去的水分和血液中的电解质，以保持血液流量和成分的相对稳定。
这相当于根据信息来筛选不同的离子，同样也类似麦克斯韦妖的作用。
即使是这些，也只不过是生命体庞大秘密的一点点而已。
我们对于自身的了解，懵懂的就像个婴儿。
另外，生命体的演化是向着越来越智能发展。
而麦克斯韦妖最大特征之一就是智能，这又与我们不谋而合了。
所以，有人说，我们存在于这个宇宙，似乎就是为了一个知其不可而为之的目的——控制熵。
如果联系坤鹏论之前讲过的复杂性科学，复杂性系统，同样也揭示了，渺小个体成就伟大系统，系统永恒，其中个体却以有限的生命周期为系统演化前仆后继。
请你再回头看一看《坤鹏论：生命以负熵为食！》，必然心有戚戚然。
本文由“坤鹏论”原创，转载请保留本信息
注：坤鹏论由三位互联网和媒体老兵封立鹏、滕大鹏、江礼坤组合而成。坤鹏论又多了位新成员：廖炜。即日起，坤鹏论所有自媒体渠道对外开放，接受网友投稿！如果你的文章是写科技、互联网、社会化营销等，欢迎投稿给坤鹏论。优秀文章坤鹏论将在今日头条、微信公众号、搜狐自媒体、官网等多个渠道发布，注明作者，提高你的知名度。更多好处请关注微信公众号：“坤鹏论”微信公众号：kunpenglun，回复“投稿”查看，自媒体人可加QQ群交流，群号：6946827
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