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原子与分子

原子与分子

分子如何抵抗恶魔

08 Jan 1999

麦克斯韦的恶魔:为什么温暖扩散和时间流逝
汉斯·克里斯蒂安·冯·拜尔
1998年兰登书屋256pp $ 25.00hb

詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk 麦克斯韦)于1867年致信他的朋友和同事彼得·泰特(Peter Tait)“demon paradox”。他想象一个带有两个隔室的容器,两个隔室由可控制的门隔开,里面有一个恶魔,恶魔允许热分子在一侧积聚,而冷分子在另一侧积聚。然后,所得的温差可用于驱动热力发动机。因此,恶魔可能将处于平衡状态的分子的热能转化为有用功,并违反了热力学第二定律。这是对麦克斯韦的非凡见证’洞悉这个问题–在分子仍然是概念上的拐杖并且表征不佳的时候提出–花了我们一个多世纪来解决。仅在最近几年中,我们才能够证明,如果不花费比从被分选的分子中提取的功更多的能量,就不可能对分子进行分选。热力学第二定律的确成立。

在本书中,汉斯·克里斯蒂安·冯·拜尔(汉斯·克里斯蒂安·冯·拜尔)回顾了这一澄清的历史,并以此为基础重述了热力学和统计力学的许多内容和历史。这是一个极好的说明,展示了作者在较早的书籍中展示的说明性技能,并揭示了他对该主题的深刻理解。最重要的是,这本书显示了对科学的节奏和结构的深刻理解。因为没有方程式,所以它的读者针对广泛的读者。作者也省略了数字,尽管有时这需要相当大的言语负担,例如,当他描述图形的形状时。这本书’关于波动引起的运动的最新著作的最后一章在这方面尤其受苦。

但是,与在机场书架上出售的许多其他科学书籍相比,这本科学书籍的承诺更少,交付更多。它大约有250页苗条的页面,普通读者实际上有一定的机会完成它。此外,与许多竞争对手不同,这本书并没有承诺解决自然界的深奥之谜,例如生命的起源或自由意志的含义。

但是,理想的简短性要付出一些代价。例如,您不会找到新的历史奖学金。实际上,作者承认他的债权属于较早的权威著作, 麦克斯韦’恶魔:熵,信息,计算 (H S Leff和A F Rex(编辑)Adam Hilger,1990年),它是带注释的重印本。冯·拜尔的简洁’这本书还意味着,尽管有很多关于熵的信息–与玻尔兹曼成为中心人物–乔西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)从未露面。

玻尔兹曼通过他著名的方程式为我们提供了熵的微观理解 S = k 日志W,出现在他的墓碑上,尽管实际上它从未出现在这本书中,除非以繁琐的口头形式出现。 (当我担任助教时,这个方程式对我来说是不朽的,并找到了学生写的考试脚本“S = k 日志W,在哪里 k 是克洛茨曼’s constant”.) Boltzmann’Gibbs详细阐述了我们的见解,以供我们大多数从事该主题工作的人使用的更详细的工具集。

令人欣喜的是,在19世纪初期,热力学的历史提醒人们,科学发展的相对日期并不总是能巧妙地映射到我们对相对困难的认识中。理解第一和第二定律的步骤是及时交织在一起的。然而,今天,能量守恒定律是民间传说。熵,除了毫无意义的鸡尾酒会模式之外,是一门专门的大学课程,即使到那里,我们中的许多人才真正理解它,直到我们掌握了统计力学。

The modern resolution of the 恶魔悖论 is based on the fact that to sort molecules, we (or the demon) need to make measurements on them. Von Baeyer gives Brillouin credit for first treating the recorded results of measurements as part of the total physical system viewed in the entropy balance. Actually Leo Szilard had already taken that pioneering step. Brillouin, who made several major contributions to physics, unfortunately only added confusion to our understanding of the demon. Enlarging on Szilard’在早期的工作中,我们最终了解到,在擦除记录的测量信息并将存储器重置以供下一次(或首次使用)时,会发生保存第二定律的关键能量耗散。这与我们先前的观点相反,后者仅在信息从分子转移到控制百叶窗或其他分类装置的寄存器时才消耗能量。

在两个结论性章节中,冯·拜尔(von Baeyer)接触了最新研究的前沿,这是本来就是一本好书的最薄弱的部分。在这两章的第一章中,我们见面“algorithmic entropy”及其与实际物理熵的关系。算法熵是指定数字或结构所需的最小位数。根据这种观点,很容易描述分子的周期性排列,但是随机放置要求我们给出每个分子的位置。但是,在一本强调历史的书中,令我惊讶的是,我们没有发现是我的IBM同事Charles Bennett迈出了第一步,将物理熵与关于随机性定义的更早的数学概念联系起来。虽然Boltzmann和Gibbs告诉我们熵是集合的特征,而不是特定的分子构型,但Bennett告诉我们,实际上,熵可以分配给每个特定的构型,然后可以对集合进行平均。

上一章介绍了有关“thermal ratchets” –粒子处于时间相关和空间周期性的力场中并且还受到噪声影响的系统。力场和噪声都不会施加净力,但是粒子可以通过两者的相互作用而移动。通过在一个有着非常复杂的历史的领域中单挑一个名字Dean Astumian来再次使帐户变得更糟。热棘轮据说是在生物系统中发现的,但这种情况远未得到证实。

These last two chapters illustrate the whims of fashion. The fact that entropy is not just a property of an ensemble is a deep insight, and one that came only after many decades of supposedly deep analyses of entropy. However, this point has attracted surprisingly little attention among practitioners of statistical mechanics. In contrast, 热棘轮 have become a busy little industry, the depth and significance of which may be transitory.

实际上,标签可能与对主题的关注程度有很大关系。如果麦克斯韦’这个恶魔被称为麦克斯韦’的分类装置,这本书曾经写过吗?

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