熵的概念的发展:麦克斯韦妖与信息
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物理学家麦克斯韦提出了一个名为麦克斯韦妖的思想实验,该实验展示了一种可以逆转封闭系统熵的机制,这将违反热力学第二定律。100多年来没有人能够解决这个悖论,但是当IBM的计算机研究人员最终解决了这个悖论时,他们发现熵与更基本的东西有关,那就是信息。 如果我们观看行星绕太阳的旋转视频,然后将视频倒放,那么反转的运动并没有什么异常,这在物理定律范围内是允许的。据我们所知,大部分物理定律都是时间可逆的。唯一看似时间不可逆的物理定律是熵增定律,也就是热力学第二定律。打破鸡蛋是一个很好的例子,如果在视频中看到鸡蛋自动复原,我们就会知道它是倒放的,因为这个过程的熵是减少的,违反了热力学第二定律。 气体被屏障隔离在一个容器的左半边,如果我们移除屏障,那么气体将会膨胀到容器的全部体积,在这个过程中气体的熵增加了。我们不禁会问,为什么气体膨胀到全部体积,混乱程度会增加?原因是体积更大,单个气体分子可能存在的位置更多,因此可能的排列方式会更多。
这种更大的可能排列数量确实是对熵的更好描述,玻尔兹曼首先提出了这一见解作为熵的另一种定义,它是一种计算系统内原子排列数量的方法。现在如果我们在右壁上有一个柱塞,并将气体推回到原来的位置,这会使气体的熵降低吗?很显然也是不会的,做功会使气体温度升高,温度与原子速度相关,使描述原子运动方式的数量增加。
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