費曼的「布朗式棘輪」 (Feynman’s “Brownian Ratchet”)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2013年5月)
圖一、費曼 (Richard Feynman)
(圖片來源:wikimedia commons)
1948年,愛丁頓爵士 (Sir Arthur Eddington) 清楚說明熱力學第二定律佔據著「自然法則最高的位置」。他哀嘆說,如果有人設計出一個違反第二定律的理論,「就會走上徹底恥辱性的崩潰一途」。雖然如此,卻無法阻止物理學家三不五時就提出推測性的想像實驗,看看要如何違反第二定律,這些過程也因此深化了我們對它的理解。
其中最著名的「馬克士威精靈」,是馬克士威 (James Clerk Maxwell) 最先於19世紀,1867年12月給蘇格蘭數學家泰特 (Peter Guthrie Tait) 的一封信中所提出的。馬克士威想像說,有一個容器,裡面充滿溫度相同的氣體分子,有一個絕緣隔板將容器一分為二。容器內有一個精靈定期地打開隔板上的門,讓速度比平均要快的分子往同一方向流動,一段時間後,兩個空間就會產生溫度的差異,可以用來做功。以第二定律的統計性來看,這隻精靈似乎打敗了熵的增加。