4 控制溫度的小妖精

實驗所需的特殊器材:兩個氣室,一個內含暖空氣,一個內含冷空氣;還有一個小妖精。
所以,小妖精真的能這麼做嗎?許多人為了維持宇宙應有的規矩,設法否定馬克士威的說法,聲稱辨別粒子運動速度這種行為本身就是一種作功。因此,這個小妖精雖然圖謀不軌,實際上卻還是合乎第二定律。不過,我覺得小妖精一定會嘲笑這些人,一邊吊兒郎當地說著「易如反掌」,一邊得心應手地將那扇小門又開又關……
但是,這個小妖精真的能這麼做嗎?


他指出,有兩個氣室,一個氣室內部充滿暖空氣,和圖書另一個氣室則充滿冷空氣,兩者之間由一根細管相連,管中有一道小門,門前坐著一個小妖精。如果這個妖精開門讓冷氣室中快速運動的分子進入暖氣室,而且又只讓暖氣室中緩慢運動的分子進入冷氣室,不久之後,冷氣室的溫度就會降得更低,暖氣室的溫度則進一步提升——過程中完全不消耗「功」,因此與第二定律矛盾。

討論

實際上,還有其他許多「定律」也都只在數據上為真——經濟學的諸多定律就是如此。不過,有太多人都以為物理定律就跟幾何定理一樣純粹無疑,熱力學第一定律和-圖-書看起來確實是如此。更糟糕的是,不知道什麼原因,熱力學原理似乎在科學圈外就沒有人知道(史諾曾在《兩種文化與科學革命》〔The two Cultures and the Scientific Revolution〕這部著名的論著中指出:「每當人文學者聽說有些科學家不曾讀過某部英國文學重要著作,總是會以鄙夷的態度冷笑幾聲,稱其為無知的專家。我對此深感憤恨不平,因此經常問這些學者懂不懂熱力學第二定律。他們的反應頗為冷淡,而且答案也是否定的;然而,我提出的這個問題其實同和_圖_書樣也是常識……」)。
法國物理學家古伊(G.L.Gouy)也曾採取類似馬克士威的方式,描述如何利用粒子的隨機運動建造一部永動機器。抽菸吐出來的煙霧即可視為粒子隨機運動現象的例子,物理學家稱這種運動為「布朗運動」。
確實可以。不過,馬克士威認為,這項實驗的重點不在證明熱力學第二定律有誤,而是證明其正確性只存在於數據上。這項「定律」還是足以描述自然界的現象,但只是一種極高的可能性,而不是絕對的必然性。
在十九世紀,熱力學第二定律的基本概念是,熱若是由溫度較高的物體傳導至溫度和_圖_書較低的物體,必然伴隨著某種互補的變化。一八七一年,馬克士威(James Clerk Maxwell)決定證明這項觀念的錯誤。
無論如何,熱力學第一定律指出宇宙裡的能量總量不變,只會從某種形式(例如煤礦)轉變成另一種形式(例如熱或光)。至於受到小妖精操弄的第二定律,則是有關熵值的增加,也就是系統會自然朝亂度增加的方向變化,但是要回復原初狀態就必須有外力介入(例如,把一顆蛋丟到地上,可以預期蛋會破,但是不可能預期破掉的蛋會回復完整狀態)。推翻這項定律可不是小事,因為熵其實可以視為「時間的hetubook.com.com流向」,因此那個妖精便是「時間的掌控者」。

不論我們認為造成這種運動現象的原因為何,都可以確定這些粒子必然有作功。因此,我們可以想像一個能夠運用這種功的機械元件。舉例來說,假設其中一顆粒子由一條非常細的細線綁著,連到一只單向齒輪上;如此一來,朝著特定方向的力即可轉動齒輪,從而回收消耗的功。這種機械元件當然不可能製造出來,但是理論上卻絕對可行。功可以由周遭媒介的熱產生……(《布朗運動筆記》〔Note on Brownian Motion〕,1889)。
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