Question

麦克斯韦妖为何不成立

Answer 1

麦克斯韦妖是麦克斯韦为了证否热力学第二定律提出的一个假想。这个假想从表面上看很难发现其中的错误，但仔细推敲发现有两个问题。
第一，麦克斯韦设想小妖可以分辨粒子运动速度的快慢，而不影响其原始状态，但是实际上这是无法办到的。例如，如果你想要知道一个粒子的速率就需要通过碰撞的方法来测出粒子的速率，但这样就该变了粒子的运动状态。改变一个物体的状态就必须通过做功的方式，做工就必然消耗能量。这样就与最初的设想矛盾（麦克斯韦的设想是麦克斯韦妖不用消耗能量就能将高速率和低速率的粒子分开。）
第二，将速率不同的粒子分开依然需要消耗能量。当一个粒子要同过麦克斯韦妖时，麦克斯韦妖将会把它们分为两类，一类是高速率，一类是低速率。假如小妖允许高速率的粒子通过，那么小妖将把所有运动方向朝向小妖的低速粒子都阻止，也就是改变这些低速粒子的运动方向，改变运动方向同样是改变运动状态，同样要消耗能量来做功，这样又与最初的设想矛盾。
以上两点说明麦克斯韦妖不成立。现已证明热力学第二定律是正确的，任何违反热力学第二定律的设想都不成立。

Answer 2

没有说不成立，只是在当时比较难理解，当时人们觉得若有麦克斯韦妖来实现分子的单向通过，则熵可以自发减小，这是违背熵增原理的。但是，麦克斯韦妖若要识别通过它的分子的方向，涉及到方向信息的处理，会产生“信息熵”这种东西，所以如果我们把麦克斯韦妖本身的熵变也考虑进去，就没有矛盾了。

2011年5月份的《环球科学》杂志有一个例子，他们成功使用两束激光将一个容器里的气体约束到一侧去，再任其自由膨胀，从而实现降温。基本原理是，气体原子被一束激光照到以后被激发到高能级，反向通过时就不能通过另一束特定频率激光，从而实现单向通过。在这个例子里，光束的方向本来是有序的，但撞到气体分子后就散射了，乱了，所以光束有一个熵增，这个熵增一定大于气体的熵减。

你可以找到那期杂志或看这个英文原文的网页，里面还有动画演示呢，不停地点next就可以看。
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=raizen-entropy-cooling-experiment-interactive

Answer 3

破解物理学四大神兽之麦克斯韦妖悖论