097【人类第21课】麦克斯韦座下也有一只神兽

我们上一次谈的是拉普拉斯，拉普拉斯妖是四大神兽之一。今天呢我们讲，麦克斯韦的座下也有一只神兽，这是四大神兽之二，还有呢就是芝诺的乌龟，以及薛定谔的猫。我们上次提过，麦克斯韦妖是跟热学有关的，只要这个世界上有热，那么麦克斯韦妖呢就是一个问题。当然这个问题的话，我们知道呢其实并不存在，也就是说麦克斯韦妖并不存在。

那么在讲麦克斯韦妖之前，我们先讲讲麦克斯韦这个人，既然谈到麦克斯韦这个人，我们还要把大部分时间花在他的最大的成就上面，也就是说，他发现了或者是说完整地建立了一套电磁理论（电和磁的理论），尤其他预言了电磁波，我们知道包括了可见光、红外线、微波、无线电波、紫外线、X射线和伽马射线，都是电磁波。它是电和磁的现象，也就是说通过电荷在运动。辐射的电磁波，现在是我们日常生活里面必不可少的东西了。

在谈这个电磁波和麦克斯韦妖之前，我们先了解一下麦克斯韦这个人。麦克斯韦全名呢，叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，是一个英国人，可以说是英国产生的第二个大物理学家，第一个就是牛顿了。在排位上面，他在英国也仅仅次于牛顿。说英国人呢，牛顿是英格兰人，而麦克斯韦是苏格兰人。他既是物理学家，也是数学家。那么我们前面提到过，它是经典电磁理论，那么严格的学术术语呢，叫经典电动力学，它是经典电动力学的创始人，同时也是统计物理学的奠基人之一。他呢，是1831年出生于苏格兰的首府爱丁堡。活的时间不长，算一下呢只有48岁，1879年就在剑桥那个地方去世了。那么说明他也是剑桥的一个教授。他呢在16岁的时候，就进入了爱丁堡大学上学，比我们现在平均的年龄要早两岁，爱丁堡本身是苏格兰首府，爱丁堡大学呢也是苏格兰的最好的大学。他在班里面是个神童，是最好的学生，在这儿呢学习物理和数学。读书当然很用功，所以呢很快能成功的毕业。最后是毕业于剑桥大学，也是进入了剑桥任教。

他的最重要的著作呢，就是《论电和磁》，这本书呢被誉为《自然哲学的数学原理》之后也就是牛顿那个经典著作之后的第二部伟大的经典物理学著作。这本书呢是1873年出现的。我们可以说没有牛顿的力学，就没有第一次工业革命，因为它跟能量力有关。第一次工业革命蒸汽机，纺织机组之类的。那么没有电和磁呢，就可以说没有第二次和第三次工业革命，因为这个发电机啊，用电哪，电脑啊，人工智能啊都跟电和磁有关。当然呢，第三次工业革命呢后面还牵涉到量子力学。我们要强调一下，第二次工业革命和第三次工业革命，跟麦克斯韦建立的电动力学非常有关系。

接下来呢，我们就讲一讲这个电磁学。那么谈电磁学之前，我们首先不得不提几个伟大的物理学家，这几个伟大的物理学家其中之一，有个奥斯特，这是一个丹麦人。在1820年的时候，他观察到电流与磁体之间有相互作用，这是奥斯特的一个重大的贡献，也是丹麦在波尔之前最伟大的物理学家。他说电流和磁体之间呢，有两个基本点呢不同于已知的现象。第一呢它是由运动的电显示出来的，也就是运动的电产生磁场，也就是电流会产生磁场，而磁铁呢不被引向带电流的金属线，也不被它推开，而是横向的定位。后来呢，法国物理学家安倍用数学的方法，总结了奥斯特发现，便创立了这种力学。

麦克斯韦的电磁学始于1854年，那个时候也年轻，才23岁，刚刚从剑桥毕业。他就读到了法拉第的电学实验研究，我们必须要强调，法拉第是在我们刚刚提到的安倍、奥斯特之后，对电和磁的现象贡献最大的一个化学家和物理学家。法拉第有很多很多发现，电磁感应现象就是法拉第发现的。在电磁感应现象基础上，他就发明了第一个电动机，我们在其他课程里面也提到过。法拉第呢，还有一个最最重要的发现，就是发现了场的概念，或者说发明了场的概念。怎么展示场这个概念呢？比如在张纸上撒了一层铁屑，然后呢在纸下面呢移动磁铁，那么你会看到铁屑会随着磁铁动，而且它排成一个整齐的图案，这个图案呢就代表了磁场。但是，在当时很多人不接受法拉利的观点，认为法拉第的理论严谨不够，因为法拉利的数学没那么好，他是一个实验大师，他有物理的直观能力，而数学功力没有那么好。当时牛顿的理论的影响太大，特别是万有引力，它是一个超距作用，什么叫超距作用？就是不需要时间，瞬时地作用在物体上，比如说太阳的引力场瞬时地作用在地球上。当然我们知道今天的话这种看法已经证明是错误的，因为爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿的万有引力，就说明万有引力本身也不是超距的，它需要时间传播，它的速度呢就是光速。

那么我们回到法拉第的事情上来，就当时人认为法拉第的学说，场啊这个东西建立是需要时间的，因此呢是跟牛顿的超距作用是矛盾的，很多人不接受这件事情。但是呢，麦克斯韦却接受了法拉第的观点，这个非常重要。所以呢麦克斯韦就在法拉第的启发下，建立了电场和磁场的理论，写出来了完整的电磁学方程。本来呢在前人的工作基础上，这个电子学方程其实是不完整的。他写下了完整电磁学的方程，发现新多出来一项。我们知道法拉第电磁感应现象是什么呢？当磁场变的时候，会诱导电场。而麦克斯韦发现，当电场变的时候也会用到磁场，这个非常重要。同时呢，他的电磁场方程预言了电磁波的存在，因为他可以写出来像波一样的波动方程。而且呢，他通过当时对于这个他的方程里面一些常数的测量，他发现电磁波的传播速度等于光速，同时还预言了其实光也是一种电磁波，因为电磁波的速度完全等于光速。当然它是通过这个它的电磁场方程里面的常数预言的，后来呢，在1888年赫兹经过两年的努力，终于产生了电磁波，验证了麦克斯韦理论，同时呢赫兹还可以测量电磁波的速度，无非是测量电磁波的波长和振动频率，他们的乘积呢就等于电磁波的速度，发现呢恰恰好也等于光速。这完全验证了麦克斯韦的理论，啊当然Mike思维还有其他很多贡献。

接下来呢我们就讲麦克斯韦妖。讲麦克斯韦妖之前，我们要讲麦克斯韦是统计物理的奠基人。统计物理是什么呢？就是说当一个系统含有大量粒子的时候，我们没有办法追踪所有的粒子，所有的物体，宏观的物体都是由分子原子构成的，即便在那个时候大家不知道这件事情。如果我们意识到物体有大量的粒子，然后用统计学的方式就可以研究它，因为我们不能精确地测量每个粒子，也就是说拉普拉斯妖并不存在。你可以通过大量粒子的统计物理学推出来热力学，当时呢，热力学就有这么一个东西，就是所谓的热力学第二定律，也就是熵会增大。而熵增大呢，整个宇宙会趋向热极。熵趋向于极大的话，整个宇宙温度变得很平均，所有的动人的现象都没有了，因为都是平衡了。热极呢是麦克斯韦想要反对的，因此呢他发明了麦克斯韦妖。

麦克斯韦妖是什么呢？他说如果有一个小人，可以把整个世界上的分子一个一个关起来。你比如说，我们想象这么一个东西，看这个一箱子气体，通常呢热力学第二定律告诉我们，熵趋于极大温度趋于同样多，也就是说呢温度呢会由高向低蹿，到最后当然温度平均了，而这个箱子里面气体啊，密度也是均匀的、温度也均匀了，对吧？这个是热力学第二定律告诉我们的，但是麦克斯韦说，我呢把这个箱子用一个壁把它分成两半，然后在这个两半的壁上呢开一个小窗户。如果有一个小人呢看到一个分子走进这个窗户的时候，就把窗户打开，让分子过去，再把窗户关起来；然后接下来再看到一个分子过来的时候，再把它放过去再关起来，这样的话到最后呢所有的气体都跑到一边去了，这个呢正好跟我们前面所说的热力学第二定律是不一样的。为什么呢？就是最后整个气体变得不均匀了，因为他都跑到一半那边去了。当然的话你还可以设想、修改一下麦克斯韦妖，让这个分子的温度变得不均匀，同时呢让热量从温度低的地方向温度高的地方传播，对吧？这个不就是反热力学第二定律了吗？但是呢麦克斯韦妖确实是做不到的，也就是说热力学第二定律也是永远成立的。因此呢麦克斯韦也是犯了一个小错误。

但是他对统计物理的贡献很大，今天还有一个所谓的麦克斯韦分布，讲的是在一定温度之下，分子原子如何按照速度来分布，麦克斯韦分布是一个高斯定律，这个是统计物理里面的第一个重要的公式，是麦克斯韦首先计算出来，同时呢他还设计了实验来证明麦克斯韦分布是正确的。所以麦克斯韦那个时代，他们是全才，不仅仅是研究理论，建立了电磁理论，建立了统计物理，他同时呢还会做实验。

好了，说到麦克斯韦妖，我们不不得不谈就是这个所谓的永动机。永动机呢有两类，第一类永动机是假定呢无中生有，就是能量不守恒，能量是无中生有的。一开始只要给第一次推动，这种东西永远动下去，这个后面证明是错误的，通过能量守恒。那么第二类永动机呢跟热力学第二定律有关，也就是说我们能不能把热能完完全全的转化成动能。麦克斯韦同时代的人，通过热力学第二定律的发现，我们不可能把一个热源里面的热量完完全全地提取出来，变成我们有用的能量，或者变成比如说汽车的动能。也就是说在这个过程中，要损耗一些、耗散掉一些。原因很简单，就是因为热它会从高的地方向低的地方流，在流的过程中呢就一定有损耗，这就是热力学第二定律。而麦克斯韦设计麦克斯韦妖想反对热力学第二定律，但是呢也不会成功的。所以呢，四大神兽没有一个是存在的。好了，我们这次就讲到这里。