永动机是可行的吗

永动机是可行的吗

如果读者巧遇一群物理学家，并且请教他们个人认为科学史上最重要的概念是什么，你可能预期会得到各式各样的答案：诸如原子论、达尔文演化论、 DNA结构、或是宇宙起源于大爆炸等。不过事实上，他们很可能不约而同选择热力学第二定律。本章将探讨这个重要的科学概念，以及一个在过去百年来不断挑战它，甚至差点推翻它的悖论。

麦克斯韦精灵悖论是个简单的构想，却让许多伟大的科学头脑绞尽脑汁，甚至还开创出崭新的研究领域。这全都是因为它挑战了自然界至高无上的定律——热力学第二定律。这个定律仅仅简单规范了热与能量如何传递与运用，影响却极为深远。

根据热力学第二定律，如果将一只冷冻的鸡放到热水瓶上，那么你预料鸡将开始解冻，热水瓶同时开始降温。（这是我向家人解释此一定律时，他们想到的例子。）读者绝不会观察到热能往反方向传递，使热水瓶变得更热，鸡变得更冰。热能必定从高温处往低温处流动，永远不会跑错边，而且在达到热平衡、温差降为零之前，都不会停止。你也许会认为，这没有什么值得争议的。

我们接下来探讨麦克斯韦精灵的问题。原始构想概述如下：想象一个绝热的盒子，里面只有空气，中间被一道绝热的厚隔板隔成两半。隔板上有一道活门，当一个空气分子从任一侧接近时会迅速开闭，让分子通过隔板进入另一侧。箱子两侧的气压会维持相等，因为假使任何一边的压力升高，碰到活门进入另一侧的空气分子就会增多，使两侧压力恢复平衡。

这个过程会持续进行，箱子两边不会产生温度差。为了解读以上的叙述，我必须解释“温度”这个概念在分子上是如何定义的。基本上，当分子碰来撞去的速度愈快，气体的温度就愈高。所有气体（包括空气）都含有数以亿计的分子，这些分子以不同的速度与方向随意移动，有快有慢，不过它们的平均速度却依温度而定。盒子里通过活门的分子，有些移动速度较快，有些较慢。平均而言，进入两侧的快速分子（或慢速分子）数目应该相同，因此箱子的两边不会产生温度差。假使读者认为通过活门的快速分子可能会比慢速分子来得多，你的想法并没有错，但是从右至左与从左至右的快速分子一样多，所以结论并未改变。

如果到目前为止各位读者都跟得上，那么我准备释放精灵了。

麦克斯韦精灵是一种假想的微小生物，拥有绝佳的视力，能分辨单独的空气分子及其运动速度。接下来我们让精灵来控制活门的开关，而非任其自行启闭。虽然它允许同样数目的分子通过活门，但这里还需要考虑一个额外因素：精灵的知识——它只允许快速分子从左侧隔室通过活门进入右侧，慢速分子由右侧进入左侧。

在这位精灵出现后，与原本活门随机开关的情形相比，似乎不需要额外的努力或消耗额外的能量，就能产生截然不同的结果。这点很难令人不与第一章所探讨的蒙提霍尔悖论相提并论，其中电视游戏节目主持人的先备知识也扮演类似角色。不过请别掉入陷阱里。主持人预先知道大奖藏在哪个门后，只会改变我们推算概率的方式，仅止于此。而麦克斯韦精灵所具备的知识不但扮演一个远比前者重要的角色，我们稍后还会明了，这些知识甚至是整个物理程序当中的关键。为了破解这个悖论，我们将需要详述这些物理程序。

随着精灵负责掌控活门的开闭，盒子右侧隔室的快速分子逐渐增加，气体温度也逐渐升高；左侧隔室不断累积慢速分子，所以温度下降。看来仅仅运用这个精灵具备的知识便能在盒子左右隔室之间建立温度差。这个现象违反了热力学第二定律。

光凭着这些，麦克斯韦精灵就逆转了一个原本受热力学第二定律支配的程序。这怎么可能呢？许多伟大的科学金头脑前后总共耗时超过一世纪与这个悖论搏斗。读者们即将获悉我们是怎么解决它的——毕竟与本书中其他表观悖论一样，它是能被破解的，热力学第二定律因而得救。

这个主题之所以一直如此引人入胜，是因为它与永动机有关。永动机是一种看似不需消耗能量就能不断对外作功的装置。假使麦克斯韦精灵能违反第二定律，就有可能建立一个功能相同的机械装置。本章稍后将检视几种这类的装置。现阶段我暂且不想耗费太多篇幅说服读者：永动机是不可行的。