自然界有很多定律，是无法打破的，我们只能去遵守。比如在热力学中有三条定律：
第一条是关于能量的产生和消灭，能量是守恒的，只能从一个地方转移到另一个地方，而不能凭空造出来，这样就否定了第一类永动机的制造；
第二条定律关于能量的传递方向，有两种理解方式，a，克劳修斯提出的，能量只能自发的从较高的地方传递到较低的地方，而不能自发的从能量较低的地方转移到较高的地方，b，开尔文爵士提出的，不可能从单一热源吸取能量全部转化为功，而不产生能量的耗散，这样从汽车的发动机来说，就是汽油的燃烧，使活塞运动起来，带动整个汽车运动，但这个过程中，并不是所有的燃烧的热量都能转化为活塞的动能，其中会有相当一部分变成热量从尾气管中释放出去。第二定律就是熵增加原理，我们的世界的运行是有方向的。什么是熵呢？熵就代表一种混乱程度，比如说大家在操场整齐的站好，这样的熵就是低的，而解散号令一发，大家一哄而散，此时混乱了，熵也就变得高了起来。如果没有外界的因素（校长的权威要求大家再次集合），我们会偏离原来的平衡位置越来越远，也就是熵越来越大。整个宇宙是个孤立的体系，没有外界对它施加影响，这个宇宙的熵就在增大。
第三定律规定绝对零度（-273摄氏度）无法达到。至于为什么，我也说不清楚，自然界大底如此吧，人类现在的科学技术，通过激光冷却原子，可以制造非常低的温度，可就是达不到绝对零度。
回到主题，麦克斯韦妖上，1871年，麦克斯韦同志为了挑战热力学第二定律，提出了这么一个小妖精。
他的思维假想实验是，在一个密闭的盒子里，中间通过一个带有小门的绝热板将空间平均的分成两部分，在两个空间中，都含有大量的分子，他们在不停的运动，在小妖进入盒子之前，这个体系是处于平衡态的，也就是说，两边的温度是相等的。但值得注意的是，温度是个宏观的效应，是所有的分子在不停的运动产生的效果，但具体到每一个分子来说，相同温度的情况下，并不是所有的分子运动都一样，必然有快有慢，平均出来的速度就是温度啦。
麦克斯韦妖
(2014-01-24 14:32:20)| 分类： 科研小随笔 |
以前在热学课本上见过这个名词，但从没认真的看过，直到现在也不知道大神麦克斯韦提出这个小妖精是做什么的。
直到刚才看了科学网的一条微博，中科大量子信息中心实现麦克斯韦妖式的量子算法冷却，才真正好奇的想看看麦克斯韦妖到底是什么，怎么可以从思维实验转化到真实世界。
自然界有很多定律，是无法打破的，我们只能去遵守。比如在热力学中有三条定律：
第一条是关于能量的产生和消灭，能量是守恒的，只能从一个地方转移到另一个地方，而不能凭空造出来，这样就否定了第一类永动机的制造；
第二条定律关于能量的传递方向，有两种理解方式，a，克劳修斯提出的，能量只能自发的从较高的地方传递到较低的地方，而不能自发的从能量较低的地方转移到较高的地方，b，开尔文爵士提出的，不可能从单一热源吸取能量全部转化为功，而不产生能量的耗散，这样从汽车的发动机来说，就是汽油的燃烧，使活塞运动起来，带动整个汽车运动，但这个过程中，并不是所有的燃烧的热量都能转化为活塞的动能，其中会有相当一部分变成热量从尾气管中释放出去。第二定律就是熵增加原理，我们的世界的运行是有方向的。什么是熵呢？熵就代表一种混乱程度，比如说大家在操场整齐的站好，这样的熵就是低的，而解散号令一发，大家一哄而散，此时混乱了，熵也就变得高了起来。如果没有外界的因素（校长的权威要求大家再次集合），我们会偏离原来的平衡位置越来越远，也就是熵越来越大。整个宇宙是个孤立的体系，没有外界对它施加影响，这个宇宙的熵就在增大。
第三定律规定绝对零度（-273摄氏度）无法达到。至于为什么，我也说不清楚，自然界大底如此吧，人类现在的科学技术，通过激光冷却原子，可以制造非常低的温度，可就是达不到绝对零度。
回到主题，麦克斯韦妖上，1871年，麦克斯韦同志为了挑战热力学第二定律，提出了这么一个小妖精。
他的思维假想实验是，在一个密闭的盒子里，中间通过一个带有小门的绝热板将空间平均的分成两部分，在两个空间中，都含有大量的分子，他们在不停的运动，在小妖进入盒子之前，这个体系是处于平衡态的，也就是说，两边的温度是相等的。但值得注意的是，温度是个宏观的效应，是所有的分子在不停的运动产生的效果，但具体到每一个分子来说，相同温度的情况下，并不是所有的分子运动都一样，必然有快有慢，平均出来的速度就是温度啦。
好了，小妖来了，它的任务就是控制中间的那个小门，左边的空间专门盛放高速运动的分子，右边的空间盛放低速运动的分子。当遇见高速运动的分子时，它就打开小门，高速的分子从右边空间自然的飞到左边，低速的飞到右边（题外话，我怀疑这个小妖是不是处女座的，怎么这么强迫去做这么无聊的事情，对不起，没忍住又想黑大处女座，哈哈）随着时间的流逝，左边空间中基本都是高速运动的粒子，右边空间中是低速运动的分子，温度自然左边高，右边低了。
左边都是高速分子，右边都是低速分子，这也是一种分类，分类就意味着产生了秩序，熵就减小了，这样就打破了热力学第二定律所说的孤立体系的熵只能增加不能减小的定律。
到现在为止，大家知道热力学第二定律是正确的，所有制造第二类永动机的尝试都失败了就是一种佐证。那么我们怎么证明麦克斯韦妖就是妖而不是真实存在的呢？
上个世纪五十年代，我们的固体物理大牛布里渊用另外的思维实验反驳了百年前的麦克斯韦。他从信息论的角度出发，提出由于系统是孤立的，里面是绝对黑暗的，小妖无法区分单个的分子运动，要想看到，只能从外界输入光源，只要输入光源，这个体系就不再是孤立的，这样就与热力学第二定律相违背。所以这个小妖是不存在的，热力学第二定律也依然是正确的。
现在返回来说说科大的这项研究成果，一开始我还以为他们制造出真正的麦克斯韦妖，等仔细看了新闻内容之后，才知道原来他们只是借用这个概念。
在他们的研究中，由于要控制单个的量子态，实验需要极低的温度。他们在需要测量的体系中，加入一个量子比特，这个加入的量子比特就起麦克斯韦小妖的作用，用来区分高温部分和低温部分，剔除高温部分，剩下的就是我们所需要的。此处并没有说明能量消耗问题，所以也就不存在打不打破热力学第二定律的问题。
很有意思的一个过程，第一次去关注一个小小的物理概念。啰哩啰嗦的写了这么一大坨，算是梳理一下，仅供自己看着玩玩吧。以后能有更深入的了解时，再来修正~
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