广义麦克斯韦妖

 麦克斯韦妖是著名英国物理学家麦克斯韦于1867年提出的。当时,热力学第二定律已诞生了16年。热力学第二定律指出,自然界中一切热力学系统所进行的任何自发过程,其熵总是增加的。随着热力学第二定律的诞生,相应出现了热寂说,麦克斯韦妖正是在对热寂说的批判中脱颖而出的。     

“麦克斯韦妖”机

<正>一公升普通空气的重量不会超过一美分硬币重量的一半,却含有足够将一个7 kg保龄球抛离地面超过3 m的热能。如果能设计出一个装置,将这些乱撞气体分子的热能转换成做定向运动的有用功,将会是非常有益的。虽然热力学第二定律告诉我们,不可能有任何一种装置能将单一热源的热能只转换为有     

“麦克斯韦妖”妖踪初现

最近，英国爱丁堡大学的DavidLeigh和同事发现应用“信息棘齿”（informationratchet）控制粒子的运动可以使系统偏离热平衡．在实验中他们用到了一种叫作“Rotaxane”的物质，这是一种在带有长链的分子上套入环状化合物的特殊络合物，小环可以在长链上滑动，长链上有一个类似开关的结构可以限制小环的运动．当Rotaxane被光线照射后，小环吸收光子并将能量传递给开关，开关的形状临时发生改变，让小环通过．但是一旦小环通过，它就不能再向开关传递能量，它被棘齿卡在了另一端．     

麦克斯韦妖与信息处理的物理极限

文章系统地评述了麦克斯韦妖佯谬相关的热力学基本观念的发端、历史沿革以及当前正在发展的科学前沿问题。文章作者从以下两个方面详细地阐述了为什么信息处理过程本质上是一个与麦克斯韦妖观念相“纠缠”的物理过程：(1)信息认知和提取可以辅助物理系统更有效地做功;(2) 物理定律会对信息处理过程施加一个不可逾越的物理极限。这些分析与概念的澄清将有助于正确理解计算过程和热力学之间的关系。     

熵与信息——麦克斯韦妖的启示

 在神话故事中出现许多妖魔鬼怪,那是不足为奇的,但以精确严密著称的物理学之中也出现了妖精,就有点出人意料之外了.以英国著名物理学家命名的麦克斯韦妖(Maxwell’s demon)在物理科学的发展之中已经扮演了相当重要的脚色,不但以鲜明的图象,澄清了热力学第二定律的一些疑团,更重要的是指出了熵与信息之间的联系,成为信息论这一门新学科的先导.而在生命科学的发展之中,麦克斯韦妖也会大有其用武之地的.     

经典麦克斯韦妖系统中熵随时间的变化关系

麦克斯韦妖的提出是为了表明热力学第二定律可能有问题,但这可以通过引入信息熵解决。本文从统计的角度研究了两种简单的麦克斯韦妖系统的最小熵变随时间的变化关系。第一种模型的冷热分子的速度分别相等;第二种模型包含两种分子量的分子,每种分子都满足麦克斯韦速度分布律。通过概率论的方法,研究了系统的热力学熵、信息熵以及总熵的变化情况。系统熵变的理论结果能够得到定量的解释,无需引入任何待定参量或者模拟数据。同时,我们也讨论了不同条件下的系统熵变的情况。所得到的理论结果和模拟数据完全相符。     

熵与信息——麦克斯韦妖的启示

 什么是信息?就是进行传递或交流的一组语言、文字、符号或图象.(参阅封三).在早期,信息不过是消息的同义语,其深邃的内涵却鲜为人知.在人类社会里,应该说,信息与物质、能量一样,有其重要的地位,是人类赖以生存发展的基本要素.现代社会,信息的地位日趋重要.因此,了解信息,掌握信息,懂得如何充分有效地利用信息也就变得非常迫切了.当然,给信息一个明白无误的定义是非常困难的.     

熵与信息——麦克斯韦妖的启示

 在生物进化论的背后,存在两个带根本性的问题:一是生命的起源,即如何从无生命的物质变为有生命的物质,也可以说从无序到有序的问题;二是生物的遗传与变异,那就是从有序到有序的问题.对于第一个问题,目前科学家掌握的资料尚少,还没有得到明确的结论;而对于第二个问题,已经画出了一个基本的轮廓,这是20世纪自然科学的最重大成就之一.     

关于“热力学第二定律与熵”的教学探讨

本文针对普通工科院校一年级以及文科学生的特点和有限学时如何进行热力学第二定律与熵的教学进行了一些探讨。     

永动机与热力学定律

 关于永动机,已被热力学第二定律所否认。但是对于中学生,刚学完初、高中物理,又自己看了一些读物,略知热力学第二定律、熵等名词,仍有可能向热力学第二定律发起挑战。究其原因是由于高中物理教材在这一方面没有充分展开讨论,阅读材料也较少。本文在下述几个方面的回顾,有助于避免学生的错误理解。1.不可逆过程的概念什么叫“不可逆”?学生可能对这一概念产生疑惑:我们不是可以把自由膨胀了的气体压缩回去吗?冰箱不是可以把热量从低温抽回高温吗?在一定的条件下我们不是可使氧化反应逆向进行吗?但上述过程并不是可逆过程。     

生活中的热力学

 在我们的日常生活中,常常会遇到这样的情况:有些看似平常的事,要做到却很难,有些甚至是不可能做到的。这是为什么呢?实际上,这与许多物理学规律是紧密联系在一起的。     

谈“ 探究加速度与力 质量的关系”实验的几个关键问题

针对“ 探究加速度与力、 质量的关系”实验的思想、 方法、 原理、 操作过程、 数据处理等几个重要环节, 提 出了质疑和反思的几个问题, 并进行了论述, 若能很好地解决这几个问题, 能够有效地培养和锻炼学生的分析、 探究 思维能力并提升学生的科学素养     

麦克斯韦电磁场理论思想体系的科学美

 人类在很早就已经发现了电现象和磁现象,并为揭开它们神秘的面纱而作出了不懈的努力。１９世纪初,人们发现各种自然现象之间有其内在的关联性,另一方面,在法国古典哲学关于自然界统一思想的影响下,部分自然科学家开始寻求电与磁的联系,在科学与美学的融合中不断升华,深刻了人们对电、磁的认识,同时也在充实和完善着科学家们自己的物理美学理念。在这一漫长的认识过程中,科学家们逐渐建立了相当完备的电和磁的理论,为完成电磁的统一扫清了主要的障碍。这其中,尤以库仑定律、高斯定律、法拉第电磁感应定律和安培定律这四大定律影响巨大,为电磁学取得突破性的进展奠定了坚实的基础。     

对负熵、信息熵和熵原理等概念之厘清

 20世纪中叶以来,生命科学和信息科学都获得了长足的发展,与之相关的负熵、信息熵等新概念也应运而生。这些新概念目前也开始受到物理学工作者的青睐。但是,人们在接受这些新概念时,却往往会产生一些混淆和误解。比如,有人“将信息的熵称为负熵”,这就把“信息熵”(不确定性)误解为“负熵”(即信息,是消除不确定性)。另外,在理解负熵原理时,若不小心,也容易把过程量(信息)与态函数(信息熵)相混淆。因此,有必要对这些相关概念和规律稍予厘清。     

“热力学第二定律之争”及其教育功能

热力学第二定律是反应自然过程的方向性的定律,它广泛地应用于各个学科和生活领域.热力学第二定律两种说法提出的具体过程,教材中提到的很少.参考了相关文献,较为完整地展现了热力学第二定律的背景及两种说法的提出过程,为物理课堂教学提供相应的史料支撑,让学生体会物理观念和科学方法的重要性,有助于培养学生的哲学思想,特别是有助于对学生物质观、运动观以及世界观的培养.     

理解王中林院士“拓展的麦克斯韦方程组”

笔者的理解,王院士对麦克斯韦方程组的拓展之一是用运动的场线的观点讨论运动介质中的麦克斯韦方程组,对照用惯性参考系之间各种场量和时空坐标的变换来讨论,相当于认为电磁场是一个不随参考系改变而变换的标量。     

巧用“相向对撞实验法”验证牛顿第二定律

牛顿第二定律是高中物理的重要教学内容,介绍了用自制的"相向对撞实验装置"探究加速度a与力F和质量m的关系,进而验证牛顿第二定律.该实验方法测量数据快捷,实验装置轻巧便携,很适合课堂实际教学.     

“探究加速度与力、质量的关系实验”的难点及教学对策

高中物理中,实验是重要的教学环节,也是帮助学生形成物理概念、掌握物理规律的有效途径,但在实际教学过程中会出现学生在实验后依然存在认知困难的情况.以一个经典的实验——“探究加速度与力、质量的关系实验”为例,抽取一所本地重点高中进行问卷调查后,研究小组对“探究加速度与力、质量的关系”实验中学生长期存在的认知困难进行了深层次分析;同时基于学生认知水平,利用“气垫导轨+力传感器”改进装置,通过调整前概念、外显实验现象,有效突破了学生原有的认知难点,为该探究性实验教学提出了一种新的尝试.