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　　【核心提示】熵确实是不断增大的，也没有极大值，熵的变化是没有止境的。宇宙不会归于寂灭，有序和无序同时存在，并处于不断变化之中。

　　“麦克斯韦妖”（Maxwell Demon）是一个非常有趣的物理设想，1871年由英国著名物理学家、数学家麦克斯韦在给朋友的信中提出，用来作为违反热力学第二定律可能性的一个反例。

　　麦克斯韦的“小妖”

　　我们设想这么一种情况：有一箱密封气体，被一个板隔离为两部分，一半温度较高，一半温度较低。如果拿走隔板，冷热气体会自然混合，最后会得到一箱均匀混合的气体，温度介于原来的两个温度之间。

　　麦克斯韦对上述过程进行逆向思考，提出了他的“麦克斯韦妖”假设：假设现在有一箱气体，隔板两边气体温度相同（在这里温度是个平均概念，其中冷热分子同时存在），隔板上有一个小孔，有一个“小妖”来控制它的关闭和开启。对从左边箱子来的分子，如果运动速度很快，“小妖”就打开门让它们运动到右边，如果速度较慢，“小妖”就让门处于关闭的状态。反之从右边箱子来的分子，如果速度较慢，“小妖”就打开门让它们运动到左边，如果速度较快，“小妖”就让门关闭。这样，左边箱子里的气体将不断变冷，右边箱子里的气体将不断变热。

　　“破镜不能重圆”

　　要真正理解“麦克斯韦妖”，我们需要先理解热力学的一个核心内容，即能量传递的方向性。热力学第二定律表明，热量不可以全部转化为有用功，也不可自发地从低温物体传到高温物体。这就为能量传递规定了某种方向性，即可以通过做功将机械能全部转化为热能，反之则不行；能量只能从温度较高的物体传向温度较低的物体，反之也不行。这种方向性在物理中表述为熵增原理。熵是系统中微观粒子杂乱无序程度的度量，可以通俗地理解为，熵增大表示系统从有序变为无序，熵减小表示系统从无序变为有序。比如一个玻璃杯子掉在地上摔碎了，就是一个熵增加的过程，从来没人见过一堆碎片可以自动复原为完整的杯子。所谓“破镜不能重圆”，也是这个道理。

　　1865年，热力学的另一位奠基人克劳修斯把熵增原理应用到无限的宇宙中。他提出，根据热力学第一定律（即能量守恒定律），宇宙的总能量是个常数，而宇宙的熵却在不断增大，随着无序度的不断增大，终有一天宇宙会走向死亡，只剩下一堆无规则的粒子，这就是著名的“热寂说”。

　　“麦克斯韦妖”消解熵增的起点问题

　　按照这个思路，既然宇宙的演化是一个由有序到无序的单行过程，那么必然有一个有序度最高的起点，但这个终极有序的起点从何而来呢？这样的推理是神学家最喜闻乐见的，那样他们就可以很骄傲地宣称，这个终极有序的起点就是上帝存在的最有效证明。

　　但是在物理学家看来，物理学之所以能成为科学，除了能说明和解释自然，还在于所有的理论必须在一个特定的客观的框架下，而这个框架是排除神学的。正是在这样的思路下，要想排除掉这个终极有序的起点，为避免引进上帝的安排，必须有一种从无序到有序的过程、一种熵减小的机制来形成有序性的构建，从而在宇宙整体中同时存在熵增和熵减过程，构成循环机制，这样就从根本上消解了必须面对的起点问题。麦克斯韦正是在这样一种考虑下，提出了他的“麦克斯韦妖”假设，并构建了一个“麦克斯韦妖”来实现这个过程。

　　解读麦克斯韦的“妖”

　　在自然界中，很多生物分子都可以看做麦克斯韦的“小妖”，比如人体内的各种酶各司其职进行各种催化作用，来维持细胞的运行；血红细胞就像搬运工一样，将氧气运送到各个细胞；等等。但这些生物分子都需要消耗能量，不违背热力学第二定律。因此，科学家试图在纳米领域创造出类似这种生物分子的功能。

　　戴维·艾伦·李（D． A． Leigh）教授和他的同事利用一种纳米大小的有机功能大分子——轮烷（rotaxane）分子实现了这个设想。轮烷分子形似于一个哑铃式的生物分子，其分子轴上安置有一个可滑动的圆环，圆环的滑动可被轴上的间隔所阻挡。将光照射到轮烷分子的圆环上时，它就会吸收光子并改变轮烷分子的状态，从而使圆环滑动到另一种偏离平衡的状态，到达新状态后，圆环就不能再吸收能量。这是一个单向运输过程，所以这种有机功能分子的状态分布会逐渐远离热力学平衡态。这类有选择性的运输过程类似于“麦克斯韦妖”假设，但由于它在过程中需要吸收光子，因此这个过程实际上也并不违反热力学第二定律。

　　自然界应当拥有发展和进化的能力，能从无序发展出有序，不论在目的还是在逻辑上讲，“麦克斯韦妖”假设确有其合理的地方。但是麦克斯韦提出的“小妖”是不是一种微观存在？它是一种生物，还是一种精神性的东西？对此麦克斯韦都没有给出详细的说明，也无法在实体意义上解释其存在的可能性。旅美科学家布里渊分析：即使存在类似“麦克斯韦妖”的东西，为了使它工作，首先必须供给它有序的能量，为了使它识别分子，首先要照亮分子，因而就要输入能量，引起熵的增加，相当于损失了有序性。“麦克斯韦妖”消耗的有序性总是大于它所创造的有序性，从总体来说熵还是增加了，因此并不违背热力学第二定律。费曼也曾在费曼物理学讲义中作过讨论，从作用原理上否定了类似的熵减系统。

　　宇宙不会归于寂灭

　　尽管“麦克斯韦妖”最终被证明并不是熵减的，不会违背热力学第二定律，但这也并不代表“热寂说”是正确的。首先，热力学第二定律是在有限的空间、时间范围内观察总结的规律，不能绝对化地推广到整个宇宙。其次，从能量的角度考虑，“热寂说”只考虑了物质和能量从集中到分散的过程，但宇宙还同时具有从分散到集中的趋向。控制论创立者维纳认为，“当宇宙一部分趋于寂灭时却存在着同宇宙的一般发展方向相反的局部小岛，这些小岛存在着组织增加的有限度的趋势。正是在这些小岛上，生命找到了安身之处”。也就是说，宇宙是个开放的系统，只是我们碰巧生活在那些有序的小岛上。生物体也一样，必须不断汲取阳光、水分及必要的营养物质，不断以外部熵增的代价换取自身机体的熵减，才能维持机体的正常作用。

　　熵确实是不断增大的，也没有极大值，熵的变化是没有止境的。宇宙不会归于寂灭，有序和无序同时存在，并处于不断变化之中。

　　（作者单位：山西大学科学技术哲学研究中心）

责任编辑：春华