3个想象的物理学恶魔如何撕裂自然的法则

三个涉及‘恶魔’的思想实验已经作祟物理学数百年。今天我们应该用它们弄什么呢？

新科学家 By Dan Falk

10 December 2025

Physics

Antonio Sortino

通过想象做物理学有一个长的历史。阿尔伯特·爱因斯坦在想象他自己追逐一个光束后建立了狭义相对论。埃尔温·薛定谔给我们了一只既活着又死的猫。德国数学家大卫·希尔伯特通过想象一个拥有无限房间和客人的旅馆展示了无穷的反直觉性。通过采用创造性自由，物理学家们对压力测试想法用思想实验并如此更好理解它们。

好奇的是三个最经久和烦人的思想实验都涉及已经成被称为 “恶魔” 的。最著名的是1867年麦克斯韦设计的恶魔，它想象一个有奇怪但合乎逻辑能力的微小存在物。一道有另外两个类似的思想实验——拉普拉斯妖的恶魔和洛施密特的恶魔，今天仍然让物理学家们挠他们的头。思考这些恶魔，原来是它能帮助我们把握一些物理学中最棘手的概念。

英国约克大学科学哲学家迈克尔·斯图尔特说，“令人兴奋的和惊讶的事情是科学家们通过走进这些虚构空间能够学习如此多关于现实的，许多人会争论没有它科学会是不可能的” 。

拉普拉斯的恶魔

变魔法出我们的第一个恶魔的人是一位工作在艾萨克·牛顿的长期阴影中的法国博学家。1814年，皮埃尔-西蒙·拉普拉斯问了一个简单的问题：如果牛顿的法则能够预测一个苹果会如何落下，同样的逻辑能被用于来预测一切吗？如果你有完美的不仅一个落下的苹果或环绕的行星而且每个粒子、每个物体、每个地方的知识呢？他问了我们来想象一个恶魔——尽管他使用的这个词是“知识的”——刚好能够那个。如果它知道每个粒子的位置和动量并理解自然的法则，那么它可以计算宇宙的整个未来。他说，“没有任何东西会是不确定的。未来就像过去一样可能存在在它的眼前” 。

我们可能永远不能够建造一台有拉普拉斯的恶魔力量的机器，但想象它仍然能帮助我们挑出在我们的理论中任何逻辑不一致性。科学实际的意味着从行星到人类的一切都被预先确定吗？如果物理学的法则固定每一个结果，那么自由意志充其量似乎是一种幻觉，我们的无知的一个副产品。

幸福的是我们的第一个恶魔相对的容易来驱除。物理学家有来相信从来没有拉普拉斯的恶魔据说所拥有的知识的实体的理由。对起始者，爱因斯坦的狭义相对论说没有信息能比光旅行更快。这意味着尽管有些事件可能影响你的未来，但你在现在时刻不能知道关于它们。关于这些以光速旅行的事件信息只是已经没有来到达你的时间，这击败拉普拉斯的恶魔。

即便这个恶魔可以从宇宙的所有边缘获取信息，量子力学抛出另一个障碍。自20世纪20年代以来，我们已经知道没有一个粒子的位置和它的动量在同一时间是确定的方法，如此这个恶魔只是不能确切知道每个粒子在哪里以及它正在做什么。它只能描述一个粒子的属性的概率。

拉普拉斯的现实的整齐的逐粒子图片被一个由广袤的、移变的波函数描述的量子宇宙取代，一个抽象的囊括所有可能潜在的发生的结果的数学对象。即便一个恶魔可以保持追踪所有这些结果，它会不知道哪一个最终会变成现实。

洛施密特的恶魔

拉普拉斯的恶魔似乎失去它的牙齿，然后但躺在前方有更多恶魔的思想实验。我们的第二个恶魔在工业化的高峰上裁剪起来。蒸汽机已经给出了对关于热、能量和混乱问题新的紧迫感。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼试图来解释熵，一个滑溜溜的捕捉系统如何随着时间倾向于生长的更无序的概念。沙堡分解、冰融化、生锈形成等等。玻尔兹曼相信他可以通过放大现实并观察大系统的微小构建块解释它，像填充一整个房间的单个气体分子一样。

但他的老同事、奥地利物理学家约瑟夫·洛施密特关于这种方法有怀疑并在1876年摆出一个简单但毁灭性的挑战。想象这个宇宙在时间中冻结了。每个分子有一个位置和运动的方向。现在，洛施密特说反转其中每个粒子正在旅行的方向。洛施密特的最初的配方没有涉及一个“恶魔”，但后来的版本往往添加一个能不知怎的看到并冻结所有粒子的恶魔——主要因为后来来的。

蒸汽机的发展提出关于热、能量和熵的问题。

洛施密特的场景困扰了物理学家们如此多，因为它似乎表现一个与时间相关的悖论。在粒子的水平上，当方向被逆转时似乎没有任何东西是特别的错误的——没有物理学的法则被打破。但放大和宏观尺度效应将是不可想象的：随世界开始玩向后倒退水坑会冻结成完美的冰块和破碎的杯子会重新组装它们自己。它促使我们来问：如果我们能在微观世界中轻松的逆转时间，为什么对我们它似乎从来只单向跑呢？

后来的实验会试图逆转时间，就像洛施密特的恶魔一样。在20世纪50年代，哈恩（Erwin Hahn）用无线电波来短暂的挪动电偶极子（如水分子中的氢原子）成同步自旋，暂时的降低系统的熵。这使它看起来宛如时间正在倒退一样。如此，洛施密特的恶魔能够击败熵的概念吗？

不相当的。我们现在理解熵并不意味着系统一定总是滑入混沌。有些系统甚至能在很短的时间内演变到是更有序的。但正如哈恩看到的熵最终征服一切。一旦他关闭了他的无线电波束偶极子重新跌回到混乱。

如此为什么熵总是增加呢？从我们能告诉的，宇宙是在一个超常整洁的状态中开始：低熵，所有的碎片都整齐的排列。这只给了它一条要走的路——朝向混乱。来毁坏一个整洁的系统比使它更有序只是有更多的许多方法、更混乱更可能的。这意味着理论上洛施密特的恶魔能逆转微小粒子的轨迹，但它正针对赔率如此做的。

英国斯特灵大学的哲学家凯蒂·罗伯逊说：“第二定律的地位不像牛顿的第二定律一样。它已经有这种概率性，就像‘你可能的不能设法减少熵一样’” 。

然后最终概率的法则驱除了这个恶魔，但不是在它帮助了加深我们的理解之前。玻尔兹曼在回应洛施密特时放弃了他的最初方法并采用了一种基于统计学的方法，因为它更好捕捉到了概率的这个软逻辑。他精炼的思想导致了玻尔兹曼方程，这现在刻在他的墓碑上。

麦克斯韦的恶魔

第三个和最著名的恶魔在1867年来了，在洛施密特提出他的挑战不到十年之前，来自苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。与洛施密特一样，他对热力学第二定律感兴趣，但从一个不同角度抨击了熵总是增加的想法。不是让宇宙倒退，而是如果你可以逐个分子干扰它会是什么呢？描画一个多管闲事的存在物——后来被威廉·汤姆森等物理学家描述为一个恶魔——可以推绕被困在由一个陷落门隔开的一个盒子里的气体分子。随着时间它可以将快速移动的分子与慢速分子分开，违反着第二定律。

涌现到思维的各种简单的“解决方案”。也许恶魔不得不施加能量来打开和关闭门。但原则上，这个“功”可以是任意的小。恶魔可以是像你喜欢的那样轻指的，矛盾会仍然。

科学家们能够通过走进这些虚构的空间了解如此多关于现实的

相反，物理学家开始来怀疑真正的代价不在于恶魔消耗的能量，而在于它会不得不处理多少信息。保持每个分子的位置和动量的总数似乎需要一个某种记忆。原来是这种记忆不是免费的。

在20世纪20年代，匈牙利物理学家斯兹拉德（Leo Szilard）表明了甚至在麦克斯韦设置的一个简化版本中，只有一个分子在盒子里反弹，一个聪明的恶魔仍然可以从这个系统提取功。但要这样做，它需要观察分子并存储这些信息，这他争论会需要能量。

最终有些东西给的。在20世纪60年代，IBM物理学家蓝道尔（Rolf Landauer）做出了这个关键点：为恶魔来保持功能着，它必须清除它的记忆中的空间，这个过程会产生热，提升系统的熵。第二条定律被营救。

拉普拉斯的恶魔可以计算整个宇宙的未来。George Rose/Getty Images

然而，物理学家同时做出了一个关键的意识化：信息是一种物理资源，就像能量一样。知道关于一个系统的某些东西不仅仅是一个抽象的簿记的事情。在正确的条件下信息甚至能被对待为燃料。毕竟，麦克斯韦的恶魔不知怎的将信息转化为功。今天，恶魔是信息和能量交织地方操作的机器的吉祥物。这些“信息引擎”不仅挑战我们的直觉，它们承诺将恶魔的逻辑转化工作的技术。2024年，研究人员建造了一个斯兹拉德引擎的量子版本来从更少高能的量子比特为一台量子计算机内的电池充电。不是一个恶魔，而是研究人员用微波脉冲从更少高能量的量子比特围住更多的高能量子比特，创造一种能做功的能量差，就像一个电池一样。

它们还远不能为你的手机供电，但希望是这些新的微型量子引擎能帮助移动粒子或用信息翻转量子比特。

以这种方式见到了，麦克斯韦的恶魔毕竟没有被驱除。它一直以麦克斯韦可能已经从未想象过的方式重生——不是作为对第二定律的一个威胁，而是作为一个大自然允许我们来开发信息作为一个物理资源的奇怪和微妙的方式的指南。

这些恶魔一起已经测试了理论和直觉的极限。虽然有一些已经大体被保持，但新的悖论悄悄爬进来。但这些都是物理学家真的不介意的恶魔。这些魔鬼般的思想实验是科学家们推动他们已知的包络的一种可爱的方式。

https://www.newscientist.com/article/2502000-how-3-imaginary-physics-demons-tore-up-the-laws-of-nature/