论利用分子动能的可能性及对热力学第二定律的理解

1、论利用分子动能的可能性及对热力学第二定律的新理解我提出如下假设:利用热平衡状态下物体中分子的动能来做宏观机械功是 可能的。熵只是用来描述我们对一个体系的信息匮乏程度的量，而熵增加并不意味 着信息的损失，而是说我们可掌握或已掌握的仍有效的信息变少了。对一个封 闭体系而言，“信息”就是其中一切物质的运动状态，随物质的相互作用而发 生转移，严格地守恒。但目前热力学中的熵并未很好的度量这种信息的多少： 对于理想晶体，我们并不知晓其中每个粒子的坐标和速度；而对热平衡的理想 气体，我们所认为的混乱只是我们不知晓其中每个粒子的坐标与速度。如果能从微观的观点，考察各个粒子的状态，可以发现热平衡不意味着混 乱；

2、相反，我们可以热平衡物体中的内能。设想有一种分子大小的“门“，它 的作用类似于气门芯：当分子从一侧撞向门时，”门板“因机械的转动闭合， 阻止分子通过；而当分子从另一侧撞向门时，情况相反。如此可在门的两侧自 动建立气体分子的浓度差。这样的模型如果能被实验证实，那么这样自发地由 平衡态变为非平衡态的过程，显然不是现有热力学理论可以解释的。实际上在以上假想的过程中，熵增原理不适用。以往熵的概念本身就是建 立在默认我们无法知道物质的精确信息的基础上的；其实在任何过程中，信息 既没有增也没有减。只要能够对单个分子的状态作出判断，我们也就能变“无 序“为”有序“；这本质上只是在不同但等价的状态中作出选择。

3、在我的模型 里，由于门的选择是自动的，也就排除了人为输入信息的可能，不会像”麦克 斯韦妖“一样被责难。至于如何利用分子动能，我们只需将许多“分子门“平行并置为一张”网 “，用它来限制溶液一种离子的运动，并设计门的大小使之对其他粒子不产生 作用：要么使之自由通过，要么完全阻止其通过。那么被限制的离子就能在” 网“两侧建立电势差。检测这样的电势差可作为检验上述模型的实验方法。如 果上述模型成立，对于理想的“分子门”（即完全阻止一个方向通过粒子二使 另一方向完全自由通过粒子），单层门两侧电压U大致与kT/e在一个数量级（常 温下约几十毫伏），而门本身厚度可以只有几个纳米，考虑到门前后须为分散 系建立

4、浓度差留有一定空间，实际实施时这个厚度可有数百纳米。数千张“分 子门网”叠层不过几百微米，但累积电压可达几个伏特。而只要“网”面积足 够大，这样的叠层能提供相当可观的电流：显然，这个模型一旦被证实，将有 巨大的潜力。我之所以信任这个模型是有理由的。我们都知道布朗运动，那么微粒做布 朗运动的动能为何不能用来“发电”？显然我们缺少一种将这种凌散的能量聚 集起来的手段。我曾设想，让磁性微粒振动时产生的的电场驱动微小的半导体 中的电子以获得电流，但这个设想不能提供任何有关其本身是否成立的信息； 毕竟热二定律在那里。而且它不像“分子门”那样简单明了。顺着这思路，我 有想到硅光电池的原理与之有相似之处：电

5、流方向永远和光的偏振方向无关， 这是PN结的整流作用；光只是提供了能量。如果我们能找到一种单向导电材 料，红外光足以激发其中的电子，那么，当我们把它制成“红外光电池”用来 发电，我们也可以说我们利用了热平衡体系中的能量。然而即使上述模型能为我们争取到一些可利用的能量，熵增加仍是一个普 遍原理。问题的根本在于，总有我们无法掌握的信息存在，导致一些意料外的 事件发生，甚至我们的毁灭。我不得不说，信息只对生命体，或是有意识维持 自身存在的系统有意义，脱离了这个主体也就没有“信息”这个概念。物质的 每一种状态都是等价的，因为物理量总是严格守恒；但我们划分出“有序”和 “无序”的状态。如果不是因为允许我们存在的状态数少之又少，我们会担心 “熵增”吗？正因为那些对我们不利的状态总有可能发生，才有所谓的墨菲定 律。具体地说，即使上述的模型可以利用分子热运动的能量，我们也无法知道 每时每刻每个分子的位置和速度；而且，实际的装置必然面临一个允许它有效 工作的极限温度，低于这个温度后它将无能为力。即便我们征服了分子、原子， 我相信，在亚原子的领域内还会有可以释放“信息”的“空间”等着我们；与 之对应的是，在天文尺度上看来，我们的星系早就是一团糟了。综上：我们有理由相信封闭体系中物质在连续过程中信息守恒；熵度量的 是我们在只考虑物质宏观