自然界的第一定律

——麦克斯韦妖随笔之二

这是一个自然界的普遍法则，宇宙间万物的运动、变化  , 都要受它的“管辖”。

 

一、小妖工作之析

前文说，麦克斯韦妖是从一位英国物理学家的脑子里构造出来的，俄裔美国物理学家又描绘了它的模样与能耐，既然是物理学家构造和描绘了这只妖，就一定是与许多物理问题相关联的，这些物理问题展开，就是对麦克斯韦妖的逐步介绍与剖析，也是后续文章要展示的内容。

我们可以先对小妖的工作状况做一个仔细考察，看与哪些物理问题相关。

在通常情况下，分子1秒钟能跑好几百米，能与其他分子发生上亿次的碰撞，小妖能在这种情况下进行准确、有效的工作，其工作强度、难度可想而知，人类中绝没有一个人会做得到，未来的机器人也许能完成这样的操作，但按麦克斯韦先生的说法，麦克斯韦小妖做到了，还不消耗一点能量，这样连最神的机器人也不可能做到这一点，因为它不能满足物理中关于能量的规律。

小妖在阀门旁，能正确、迅速地打开或关闭阀门，让阀门不断来回滑动，使快分子跑到容器的右室，又使慢分子跑到容器的左室，从而使容器两边分子的平均速率有了差别，即右室分子的平均动能要大于左室，又因为温度是容器内大量分子无规运动剧烈程度的量度，右室分子运动速率大，相比左室运动要剧烈，这样容器两边温度也就有了差别，右室会热起了，左室会冷下去。

很显然，从上面的分析来看，小妖的工作涉及了两个重要的物理学概念：一个是“能量”；一个是“冷热”。

让我们就从这两个物理概念说起。(能量和冷热)

二、先说能量 

什么是“能量”？

物理学中的能量，一种普遍的定义就是“能量是做功的本领”。

可用最简单的例子，把这个定义说得具体一点，若A物用力推B，让B物动了起来，A对B就做了功，A就具有做功的本领，按定义A就有能量。

A就对B做了功，B动起来了，获得了能量；A展示了它的本领，对B做了功也消耗了自己的能量。若A失去的与B得到的是两种相同形式或不同形式的能量，那么，做功过程就实现了能量的传输（从A到B）与转换（从A形式的能量换成B形式的能量）。

举一个具体例子，我（A）用力推动了桌子上的一本书（B），A具有做功的本领（能推动B），且做了功（B动起来了）。B获得了动能，A失去的是化学能。A把能量给予了B（传输），A的化学能变成了B的动能（转换）。如果书与桌面之间有摩擦，则两接触面会稍微有温度的上升，这就有了热能。这样A失去的化学能转换成为B的动能以及书、桌子、周围的空气增加的热能。

对上述的阐述中，涉及经典力学中的一些基本的概念，为便于理解作些说明。

“A物用力推B物”，涉及力这个概念，“力”是物与物之间相互作用形式的一种，这里相互作用的结果就是使B动了起来——有了位置的移动；“ B物动起来了，A对 B做了功”，涉及功的概念，功在物理学中有严格的定义，这里的阐述不能作为功的定义，但符合功的定义；“我推动桌子上的书”是由我的手臂来完成的，是手臂把一部分的动能给予了书，但手臂的动能是由食物中的化学能来提供的，因此才有“A的化学能变成了B的动能”的结论。

凭我们的经验，或者稍一观察就会发现，使一个物体“动起来的方式”是多种多样的。

如果以这种“动起来方式”来划分能量，相应地能量也就有了多种多样的形式。一辆车推动了路边的一堆杂物，是运动中的车具有了做功的本领，这样的能量叫动能。高处的重物，高高在上，好像有一种势，它若掉下来，能把地面砸一个坑（地表动了），它具有做功的本领，这样的能量叫重力势能。儿时玩的弹弓，能使弹丸飞得很远，表明伸长的皮筋（相当于弹簧）具有的做功本领，叫做弹性势能。沸腾的水能把壶盖掀起来，这壶中的水蒸汽具有做功的本领，叫做热能。爆竹在空中爆炸，把“躯壳”都炸碎了，这是“躯壳”内的炸药具有的化学能。原子弹、氢弹爆炸，高山夷为平地，城市毁于顷刻，这是原子能和核能。

宇宙间的万物都在变化、运动中，物理学的相当重要的一部分内容就是研究物质世界中的种种变化和运动，因此物理学家一定会想，是否有一个统一的概念，可以量度各种变化和运动呢？后来人们发现，那就是“能量”。这是一个有普遍意义的、极有价值的概念。

    在一本《能量概念的发展历史》的书中，有这样的一段话：在构成物理学的所有概念中，能量的概念——以其具有普遍的意义——已被证明是比其他物理概念重要得多、成功得多的一个概念。它的应用远远超出了物理学的范畴，已经覆盖到所有学科领域。这个概念已被证明是人类生活所有领域中具有最重要意义的物理学概念。(待续...)