詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦

麦克斯韦妖，乍一看好像违背了热力学第二定律，但是它在能量物理研究进程中具有不寻常地位。即便在今天这也是一件令人惊奇的故事。惊奇之一在于詹姆斯C · 麦克斯韦（James Clerk Maxwell）本人竟然没有发现自己理论中的瑕疵，毕竟麦克斯韦是一个非常严谨的人，他或许是19世纪最杰出的科学家。惊奇之二是几代学习物理的学生被灌输的是麦克斯韦妖是真正的悖论，因此没有必要被第二定律搞晕头脑。

根据历史学家哈曼（P. M. Harman）考证，“妖”一词最早出现于1867年。当爱登堡大学的自然哲学教授泰特（P. G. Tait）请麦克斯韦为一篇名为热力学概述的底稿提点儿意见的时候第一次出现。麦克斯韦同意“在底稿中找几处漏洞”，并且在恰当的时机创造了“妖”的概念作为演示第二定律是一种统计规律，因此状态上有别于“动态”规律，例如牛津定律。

作为一个虔诚教徒，麦克斯韦不愿意将他的本质上是一个想象实验的装置称为“妖"。这个词是由威廉 · 汤姆森（William Thomson）杜撰出来的（后来是Lord Kelvin），在给泰特的回复中麦克斯韦设想了一个被隔膜分成两半的容器，每个部分都含有相同数量的气体分子，但有——边“具有更大的动能”。

他还说：“假定有一个小人，除了利用一个没有质量的滑片打开、关闭隔膜上的一个小门外，他并不需要做功而只凭简单的观察就能知道所有分子的运动速度和运动轨迹。这个小人的任务首先是从一边选择一个比平均速度小的分子让它通过这扇门，然后从另一边选择一个比平均速度大的分子也让它通过这扇门，以保证两边的气体质量相等。这样做的结果就是在没有做功的情况下使得热的部分更热、冷的部分更冷，这仅仅是那个指头大小的恪守规章而又灵巧的小人的智慧所致。

乍一看这个结果可能与麦克斯韦所简述的“在没有做功的情况下，热不会从低温物体流向高温物体”的热力学第二定律相违背。在量子物理学领域，我们知道测量（例如通过散射X射线多普勒测量仪）两个隔间的分子速度必须花费一定的功并且会有能量转移到某些分子中。因此麦克斯韦妖不能看作热力学第二定律的缺陷。

然而人们会很自然的提出麦克斯韦所描述的实验装置是否可以实现，即使是在他所生活的经典物理世界（虽然经典物理世界的根基已经被麦克斯韦的电磁场辐射理论所削弱）。然而门上那个可以活动的零件除了被描述成滑片外并没有更多的说明，或许是一片分隔两边气体的隔膜。推测起来它可能受一些无摩擦的法兰的制约而只能在一个方向运动，而且隔膜上的孔的直径也应当与气体分子具有相同的量级，但应该稍大一点儿。

不幸的是，为了实现妖的假定作用第二种方式会受限于第二定律。首先，速度为v的分子与膜发生正碰，该分子首先会对膜做0.5 mv²的功并转化为热，其中m为分子质量。在假定膜的弹性不发生变化的条件下，这些集聚热会把该分子以同样的初始速度反弹回它所在的容器。

但是抗张强度对于所有真实材料而言是个随温度递减的函数，这表明只有在膜和膜与隔膜连接处导热率为无穷大的条件下，分子才能以初始速度返回。这个没有质量的膜的弹性如何随温度变化是无法确定的，但可以肯定的是它们的抗张强度不会随着温度的增加而增加，否则这将意味着通过这种碰撞的方式隔膜两边的气体温度会自发地升高。

也就是说麦克斯韦妖装置的本身机能与第二定律相矛盾。这个装置不可避免地会产生负熵，使得它完全不适合作为想象的实验证明热力学第二定律的局限性。

[Nature，2002年6月22日]