写一篇科技小品文 风箱与麦柯斯韦妖

    早在高二的时候，我就发现永动机和能量守恒定律毫无关系。那时我还不知道第二类永动机和热力学第二定律。于是写了两万字的长文，以为自己发现了永动机。其实就是第二类永动机。后来上了大学学了热力学第二定律才明白自己的猜想早在二百年前就有了。

    不过，第二类永动机只是我论文的一半儿，我另一半儿问题提到的是热寂理论。也就是说，如果第二类永动机不存在，则可以证明热寂理论是绝对正确的。两者是绝对的矛盾双方，没有调和的余地。不过，大二的时候我看到 麦柯斯韦妖，顿时有豁然开朗的感觉。第二类永动机、热寂和麦柯斯韦妖三者之间有着当今理论界微妙的关系，我今天没有什么结论，想把这个东西给大家简单介绍一下。不要觉得深奥和玄妙。我认为科学最最应该大众化的。比之文学艺术诗歌绘画更要简单纯粹的多。

    先说我的前提：永动机和能量守恒无关。我们在初中就学过，能量是不能自然产生也不能自然消亡的，它只能从一种形式转换为另一种形式。因此，我们不可能制造出 总是工作却不用添油通电的机器。能量不能凭空制造这个理论是绝对正确的，没什么可怀疑的。但是这和能否制造永动机却毫无关系。为什么呢？难道一个不用能量却总能干活的机器还不说明能量可以凭空产生吗？不能说明！比如，我们的轮船从太平洋一段走向另一端，我们是在水平面上运动，本身只需要位置变化，却不需要任何能量转化。我们之所以燃烧大量石油，是因为我们用来对抗轮船与海面的摩擦，而一路走来，不但燃烧的油一部分直接变成了热量丧失，就是转换为的动能也在与海水的摩擦中转换为热能损耗了。即使是中间产生了各种其他形式的能量，但最终也变为了无用的废弃的热能。也就是说本来就不需要能量的事情却白白浪费了能量。而且所有的能量都统一变为空气和海水的升温。

    我们为什么不能利用海水和空气的热量造福呢？也就是说，我们利用一种机器推进轮船，这种机器一开动，它周围的海水和空气就会变得非常冷，从中提取的热量用于推动轮船前进。轮船一路走下来，没有燃烧任何能源，也没有真正的吸收海水和空气的热量，因为他一边吸收，一边在运动中又摩擦释放了能量，这样使用0能量就从美国到达了中国。这！就是第二类永动机。这个东西在理论上是绝对成立的。也就是说它至少说明能量守恒和永动机无关。这一点科学界是公认的。正如同以前的亚里士多德认为运动必须靠力来维护，而牛顿指出运动和静止都是惯性，和力无关一样。我们需要的永动机和能量根本毫无关系。

    该死的热力学第二定律指出，第二类永动机是不可能制造的。热能是一种奇怪的能源。我们必须在他的流动中才能得到能量。也就是说必须有一个东西热，一个东西冷，在热量传递到冷的地方去的时候，我们在这中间能够抽取部分的能量转换为动能或者电能。而如果这两个东西温度相等，我们要把他们弄得一个热一个冷，从表面道理上看我们不需要外部能量。因为他们的能量之和并没有改变。但事实是我们必须付出额外的能量才能达到这样的效果。这个道理很简单，为什么空调还要用电！空调就是把屋里的热量传递到屋外。本来不需要能量的事情，却非常耗电。这是客观事实，似乎不容改变。上升到哲学层面，这个意义是这样表述的：物质总是能够由有序到混乱的转换，而从混乱到有序需要付出能量。冷热的两个东西变成一样热的很容易，一样热的分出冷热来困难。我们把黄豆和黑豆混在一起容易，分离出来困难。一个原子弹可以把一个城市销为平地，但是我们永远不会制造某种炸弹，一炸就炸出一个城市来。这个听起来好笑，但意义很深刻，也就是我们平常说的破坏容易建设难。

    这导致一个直接的问题就是热寂，热力学第二定律实际上指出：所有能量在转换过程中都有一部分转换为热能，而热能绝对不能百分之百的转换为其他能量。空气中和海水中单一物质中的废弃热量绝对无法回收。这样一来，无论我们找到多么多的能源都无济于事。因为地球约来越热。假设我们把所有能量用光了，而空气和海水的热量却不能用，将会出现什么现象？再深一步讲，所有的宏观运动都因为摩擦而部分的转换为热能，长此以往，所有的运动也都消失了，都变为无规则的热运动。再深一步想：所有的物质都像黄豆绿豆一样混合在一起，彼此没有分别和界限，所有的宇宙万物也都如此。没有界限没有宏观运动，这就是因为热量损耗而带来的死一般的寂静。这就是热寂。

    热寂有好多好多中解释，但是都是不能完美的解释这种现象。这里就不提及了，但是我们显然不愿看到这种结果。有人说热力学第二定律是彻底否定了第一定律（即能量守恒定律）。我也非常认同这种观点，为什么呢？因为一切能源都在逐渐消耗为废弃的热能。而废弃的热能又不能再次利用。这和能量守恒定律提出的“能量及不能产生，也不能消亡，它只能从一种形态转换为另一种形态。”但第二定律却指出不能从单一能源中提取热能转换为其他能源。这就判定了，能源不是守恒的，而是随着时间的前进，所有能源都将转换为不可用的废气的热能。多么恐怖哦。我就是因为不相信这个才搞起第二类永动机。

     但，第二类永动机是不可能出现的！这是简单的、完美的数学推理的结果。因为涉及微积分，所以不便于用言词描述。但可以肯定的是，其理论简单美丽，无可动摇（我要是早一天看到这个，也就不必浪费很多时间写论文了）。虽然第二类永动机不可能出现。热寂理论我们也不敢相信。但在第二类永动机和热寂理论之间似乎不可调和。但只有一个东西让人感觉玄妙。那就是迈克斯韦妖：

    迈克斯韦提出在一个封闭的箱子里放一个隔板，搁板中间有一个小洞，可以容许一个分子穿越。假如有一个这样的机关，它能够分辨运动快的分子和运动慢的分子，小门平时关闭，当快的分子过来时，他就把小门打开，让分子过去到左侧，假如运动曼的分子过来，他就打开让他进入右侧。这样长此一来，左侧就是运动快的分子，右侧是运动慢的分子。我们知道温度是分子平均运动速度的体现，这样就出现了左侧温度高于右侧的现象。这个现象是违反热力学第二定律的。因此这个机关被称为“妖”，就是因为大家觉得不大可能。此外有人认为：麦柯斯韦妖很容易解释：因为小门的开关需要能量。

    但麦柯斯韦妖引发我的联想：实际上，我们不需要判断后再作出决定。过去老板姓烧火做饭都用风箱。这是一种很原始的机械，虽然风箱前后拉动，但是风总是向前吹得，并不是推动的时候吹气拉动的时候抽气，而这一点是因为风箱中有三个自动开关的单项阀门。假设我们把麦柯斯韦妖的条件变化以下，我们可以设置一个分子运动的单项阀门，从右侧撞过来的分子消耗自己的能量 可以自然把小门打开装到左侧，但从左侧撞过来的分子无论能量多大也撞不开，这样一来左侧分子越来越多，自然压力增大，右侧压力自然减少。这里不需要额外的能量。因为分子本来就是频繁运动的，这个小门只不过是一种把这种运动变为单向的而已。也就是无序到有序无需能量，这显然是合理的。

    分子单项阀门是否存在？我不得而知，我没有见过类似的假设。但我的这一假设显然高于麦格斯韦妖，因为它不需要判断，也不需要用能量开关阀门。判断和开关都是自然过程，如同风箱里的小挡板。假如我们把分子想象为台球，我们在台球桌面上很容易作出这样的阀门，到时候所有的台球由于单项阀门的存在自然就都滚向了另一边，但我们却没有提供额外能量。

     现在的问题是：无论我多么不愿意接受热力学第二定律，但我仍然肯定他的正确。但热力学第二定律是宏观统计定律，如果你不愿接受热寂这个恐怖的东西。就不妨认真分析一下微观的变化。现有科学界对于热力学第二定律坚信无疑。但对于热寂则顾左右而言他。或曰：第二定律指的是封闭系统，但宇宙是开放系统；或曰事实证明热寂不存在。前者逃避问题。后者不求真理。我觉得第二定律得核心问题是指出了废弃的能量不可用。从宏观上我们不能解决这个问题，但如果微观角度也不能解决，那么即使没有热寂，我们将来也绝对没有能源可用。

    综上，麦柯斯韦妖提出的不是一种机械装置，而是一种视角。我坚信微观视角肯定能够解决这个问题。即使我的分子单向阀门不存在，也有其他装置可用。对此，我坚信不疑。今天给大家换换口味，不是是大家是否有兴趣。