您正在安靜的環(huán)境中看這篇文章，身體并沒(méi)有感到有什么異樣，而實(shí)際上，周圍無(wú)數(shù)的空氣分子正在以每秒約500米的速度對(duì)您進(jìn)行全方位地轟炸，這個(gè)速度比出膛的手槍子彈都要快。在任何一個(gè)物質(zhì)的內(nèi)部，包括您的體內(nèi)，原子和分子也都在永不停歇地振動(dòng)撞擊，這些微粒的速度越快，其攜帶的能量就越大，可以想象，在隨便一坨物質(zhì)中，由微粒高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量總和都是很大的，若能將這種“物質(zhì)的內(nèi)能”開(kāi)發(fā)出來(lái)做功，人類就會(huì)徹底解決能源問(wèn)題，煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源所造成的環(huán)境污染將不復(fù)存在，溫室氣體之憂也會(huì)消失，切爾諾貝利和福島的慘劇再也不會(huì)發(fā)生，人類的生產(chǎn)生活會(huì)邁入一個(gè)嶄新的時(shí)代，這將是人類歷史上最偉大的發(fā)明，沒(méi)有之一。

但是，熱力學(xué)第二定律像一個(gè)緊箍咒，限制著這類熱機(jī)的出現(xiàn)。關(guān)于熱力學(xué)第二定律，克勞修斯的說(shuō)法是：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化，這個(gè)說(shuō)法揭示了熱量傳遞的不可逆性；開(kāi)爾文的說(shuō)法是：不可能從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其它變化，這個(gè)說(shuō)法揭示了熱功交換的不可逆性。舉例來(lái)說(shuō)，將一杯開(kāi)水和一杯冰水倒在盆里，盆里水的溫度會(huì)中和，而且這個(gè)過(guò)程不可逆，即一盆水不會(huì)自動(dòng)地分離成一半開(kāi)水和一半冰水。溫度中和過(guò)程是系統(tǒng)從有序向無(wú)序轉(zhuǎn)化的過(guò)程，“熵”作為系統(tǒng)混亂度的表征，中和過(guò)程就是熵增過(guò)程。這種“熵只能增加而不能減少”的原理有個(gè)重要的前提條件，即系統(tǒng)必須是孤立的，若系統(tǒng)不是孤立的，而是伴隨著能量的輸入，那熵減就有可能發(fā)生了。

科學(xué)研究沒(méi)有禁區(qū)，總是有人在尋找著熱力學(xué)第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學(xué)家麥克斯韋設(shè)計(jì)的一個(gè)頭腦實(shí)驗(yàn)—麥克斯韋妖。他假設(shè)了一個(gè)密閉的容器，由一個(gè)沒(méi)有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個(gè)由妖魔控制的閥門(mén)。起初兩側(cè)溫度相同，當(dāng)高速分子由A向B運(yùn)動(dòng)或慢速分子由B向A運(yùn)動(dòng)時(shí)，妖魔就打開(kāi)閥門(mén)令其通過(guò)，反之，當(dāng)高速分子由B向A運(yùn)動(dòng)或慢速分子由A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)，妖魔就關(guān)閉閥門(mén)。久而久之，高速分子都跑到了B區(qū)，慢速分子都跑到了A區(qū)，于是這個(gè)封閉系統(tǒng)的有序性大大增加，而熵就大大減少了。這只想象中的妖魔打破了“封閉系統(tǒng)的熵只能增加”的熱力學(xué)第二定律，若它真的存在，那我們就可以利用溫差對(duì)外做功了，科學(xué)界將這類違背熱力學(xué)第二定律的熱機(jī)稱為“第二類永動(dòng)機(jī)”。

這只想象中的妖魔曾令物理學(xué)家們傷透了腦筋，長(zhǎng)期以來(lái)爭(zhēng)論不休，直到上世紀(jì)50年代，法國(guó)物理學(xué)家布里淵用信息論驅(qū)逐了這只妖魔，捍衛(wèi)了熱力學(xué)第二定律的正確性。布里淵在其專著《科學(xué)與信息論》及一系列論文中，從信息論的角度分析了妖魔的分辨本領(lǐng)及控制能力的來(lái)源。由于容器是密閉的孤立系統(tǒng)，妖魔處于絕對(duì)黑體中，它是不可能看清任何東西的，當(dāng)然也就無(wú)法分辨分子運(yùn)動(dòng)的速度和方向，系統(tǒng)只能繼續(xù)處于原來(lái)的平衡態(tài)中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正確控制閥門(mén)，從而增加系統(tǒng)的有序性并使熵減少，但這種有能量輸入的系統(tǒng)就不再是孤立系統(tǒng)了，當(dāng)然就不再適用于熱力學(xué)第二定律了。

布里淵還進(jìn)一步分析了信息論中的熵與熱力學(xué)中的熵的定量關(guān)系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意義是：要獲取1bit的信息，其熵必定減少kln2=0.957×10^-23(J/K)，其中k=1.38×10^-23(J/K)。例如T為300K時(shí)，則要消耗2.87×10^-21（J）的能量。信息的獲取必須借助于一定的物質(zhì)過(guò)程，而且伴隨著一定能量的消耗，不耗損能量而獲得信息是不可能的，所以說(shuō)孤立系統(tǒng)中的妖魔是不可能存在的。

2007年2月的《自然》報(bào)道了一種人造的分子機(jī)器，它可以使系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平衡態(tài)，研究者們將其中關(guān)鍵的控制機(jī)構(gòu)稱為“信息擒縱閥”，該閥門(mén)使用外部提供的光作為能量源，用來(lái)控制分子由低密度向高密度的穿梭過(guò)程。在自然界中，幾乎所有的重要生理過(guò)程都是通過(guò)分子機(jī)器來(lái)驅(qū)使化學(xué)系統(tǒng)偏離平衡的，研究者的目的就是靠人工系統(tǒng)在分子尺度上也完成類似的任務(wù)，這可能導(dǎo)致具有生物體類似功能的分子器械的出現(xiàn)，例如將某些離子從低濃度的區(qū)域移動(dòng)到高濃度的區(qū)域，這在醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用前景。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開(kāi)放的，它消耗了外部提供的光能，從而產(chǎn)生了熵減過(guò)程，這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了布里淵的理論，即熵減過(guò)程必須伴隨著能量的消耗。

科技日?qǐng)?bào)2010年11月16日頭版有篇名為《科學(xué)家首次將信息轉(zhuǎn)化為能量》的文章，文中介紹了日本的一項(xiàng)研究，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中讓一個(gè)納米小球沿電場(chǎng)制造的“階梯”向上爬動(dòng)，爬上一層后利用電場(chǎng)能量在那層階梯上加一堵墻，使之落不下來(lái)，該小球就會(huì)越爬越高，從而勢(shì)能也越來(lái)越大。與上一個(gè)人造分子機(jī)器類似，這同樣也是一個(gè)熵減過(guò)程實(shí)驗(yàn)，其主要貢獻(xiàn)是納米尺度上的精密控制新技術(shù)。

編輯如實(shí)地反映了這個(gè)研究，但“驗(yàn)證了約150年前英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯•克拉克•麥克斯韋提出的“麥克斯韋妖”這一設(shè)想”這個(gè)說(shuō)法卻是個(gè)誤解，而且文章末尾由這個(gè)實(shí)驗(yàn)聯(lián)想到了對(duì)能量守衡和轉(zhuǎn)化定律的挑戰(zhàn)，這顯然也是誤讀。“孤立系統(tǒng)”是熱力學(xué)第二定律的熵增原理必不可少的條件，而這兩項(xiàng)研究借助的系統(tǒng)都不是孤立系統(tǒng)，而是與外界有能量交換的開(kāi)放系統(tǒng)，不同之外在于前者使用的是光能，而后者使用的是電能。研究結(jié)論不僅不是對(duì)熱力學(xué)第二定律的挑戰(zhàn)，恰恰相反，它們是對(duì)該定律的驗(yàn)證，若把他們實(shí)驗(yàn)室的電閘拉了，什么也不會(huì)發(fā)生。

國(guó)內(nèi)某研究員的一項(xiàng)研究倒是可以拉掉電閘的，他研究的是真正的第二類永動(dòng)機(jī)，并將之稱為“無(wú)偏二極管”。其2000年發(fā)表的研究顯示，做法是在兩塊金屬板中間夾一層半導(dǎo)體薄膜，其中一塊金屬板有許多直徑很小的井，論文稱電子的自由運(yùn)動(dòng)通過(guò)薄膜后被井壁收集，并慢慢形成電壓差，從而可以做功。因?yàn)檫@項(xiàng)研究違背了熱力學(xué)第二定律，在學(xué)術(shù)界引起了很大的爭(zhēng)議，作者在回應(yīng)質(zhì)疑時(shí)稱其對(duì)熱力學(xué)第二定律進(jìn)行了完善和重新解釋，而且已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)了確有極微弱電流的存在。但是，其論文并未顯示采用了電磁屏蔽手段，不能排除所測(cè)得的極微弱電流是外界電磁輻射導(dǎo)致的可能性，而且也沒(méi)有他人重復(fù)并證實(shí)該實(shí)驗(yàn)的研究報(bào)告，這個(gè)研究成果并沒(méi)有被學(xué)術(shù)界所接受。

科學(xué)不僅將很多可能性變成了現(xiàn)實(shí)，而且還否定了很多可能性，違背熱力學(xué)第二定律的第二類永動(dòng)機(jī)就不可能實(shí)現(xiàn)，這早已經(jīng)是科學(xué)界的共識(shí)，包括美國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家早已不受理此類發(fā)明的專利申請(qǐng)。國(guó)外的那兩項(xiàng)研究也跟試圖推翻熱力學(xué)第二定律毫無(wú)關(guān)系，它們不過(guò)是在極微小尺度上精密控制技術(shù)的成功探索，只是實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與“麥克斯韋妖”這個(gè)頭腦實(shí)驗(yàn)有些形似，于是被拿來(lái)說(shuō)事了，而這只小妖早已經(jīng)被驅(qū)逐60年了。

參考文獻(xiàn)：
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5、徐業(yè)林，“無(wú)偏二極管與熱力學(xué)第二定律”，光明日?qǐng)?bào)，2004年12月30日
6、“熵中妖精挑戰(zhàn)絕對(duì)零度”，環(huán)球科學(xué)，2011年第5期