通向麥克斯威妖之路

Meir+Hemmo等

“時(shí)間之箭”是現(xiàn)代物理學(xué)中一個(gè)令人困擾的問題，它導(dǎo)致日常遇到的種種不對稱性現(xiàn)象，例如把牛奶與咖啡混合很容易，但是把這個(gè)混合物重新分離極難做到。把一個(gè)玻璃杯摔碎很容易，但是把碎片重新整合成玻璃杯，幾乎是完全不可能的。人總是越來越老，木材很容易燒成炭，凡此種種現(xiàn)象都是明顯不可逆的。物理學(xué)家用熱力學(xué)第二定律成功地描寫這些宏觀現(xiàn)象。但是人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)定律與經(jīng)典力學(xué)相矛盾。只有借助于在概率的基礎(chǔ)上建立的統(tǒng)計(jì)力學(xué)才提供了理解這些現(xiàn)象的可能性。

1871年英國著名物理學(xué)家麥克斯韋在給朋友的信中提出一個(gè)稱為“麥克斯韋妖”（Maxwell Demon）的非常有趣的物理設(shè)想，用來作為違反熱力學(xué)第二定律可能性的一個(gè)反例。設(shè)想有一箱密封氣體，被一個(gè)板隔離為兩部分，一半溫度較高，一半溫度較低。如果拿走隔板，冷熱氣體會自然混合，最后會得到均勻混合的氣體，溫度介于原來的兩個(gè)溫度之間，這是符合熱力學(xué)定律的?，F(xiàn)在假設(shè)，隔板上開一個(gè)小孔，有一個(gè)“小妖”來控制它的關(guān)閉和開啟。對從左邊箱子來的分子，“小妖”只讓運(yùn)動(dòng)速度很快的通過，反之，對于從右邊來的分子，只允許速度較慢的通過。這樣，左邊箱子里的氣體將不斷變冷，右邊箱子里的氣體將不斷變熱。原本溫度均勻的兩半，就會由于麥克斯韋妖的作用，使得左邊的溫度比右邊低，于是違反了熱力學(xué)第二定律。

作者在本書中提供了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一種新的概念基礎(chǔ)。它展示了熱力學(xué)與力學(xué)之間的縫隙是如何發(fā)生的，以及怎樣才能彌合。本書的結(jié)論是，熱力學(xué)不是一個(gè)普適的理論，它僅對于一些特殊的情況成立，而對于著名的麥克斯韋妖這類情況，它肯定會被推翻。時(shí)間的不對稱現(xiàn)象可以被統(tǒng)計(jì)力學(xué)成功地預(yù)測。然而，這一理論的基礎(chǔ)是不穩(wěn)固的。在這本書中，作者在這種新的概念基礎(chǔ)之上發(fā)展統(tǒng)計(jì)力學(xué)，嘗試處理這些困難問題。他們解釋了宏觀態(tài)、概率、測量、記憶等概念和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的時(shí)間之箭，得到了驚人的結(jié)論：麥克斯韋妖，著名的永動(dòng)機(jī)，是與基本的物理定律一致的。對于統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)長期存在的一些問題提供了新的解決辦法。

全書共分成13章，它們是：1. 引言；2.熱力學(xué)；3. 經(jīng)典力學(xué)；4.時(shí)間；5. 宏觀態(tài)；6. 概率；7. 熵；8. 典型性；9. 測量；10. 過去；11 Gibbs； 12. 擦除；13. 麥克斯韋妖。

本書是一本高水平的學(xué)術(shù)專著，而不是一本教材，作者們使用新發(fā)展的概念工具，對于統(tǒng)計(jì)力學(xué)提供了一個(gè)新的哲學(xué)視角，力求解決物理學(xué)的一些基本問題。他們在不放棄深度下盡可能地避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理，而采用新的圖解方式來輔助內(nèi)容的闡述。對于那些對物理學(xué)基礎(chǔ)和哲學(xué)感興趣的研究人員和研究生這是一本引人入勝值得一讀的參考書。

丁亦兵，教授

（中國科學(xué)院大學(xué)）endprint