您正在安静的环境中看这篇文章，身体并没有感到有什么异样，而实际上，周围无数的空气分子正在以每秒约500米的速度对您进行全方位地轰炸，这个速度比出膛的手枪子弹都要快。在任何一个物质的内部，包括您的体内，原子和分子也都在永不停歇地振动撞击，这些微粒的速度越快，其携带的能量就越大，可以想象，在随便一坨物质中，由微粒高速运动而产生的能量总和都是很大的，若能将这种“物质的内能”开发出来做功，人类就会彻底解决能源问题，煤、石油、天然气等传统能源所造成的环境污染将不复存在，温室气体之忧也会消失，切尔诺贝利和福岛的惨剧再也不会发生，人类的生产生活会迈入一个崭新的时代，这将是人类历史上最伟大的发明，没有之一。

但是，热力学第二定律像一个紧箍咒，限制着这类热机的出现。关于热力学第二定律，克劳修斯的说法是：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它变化，这个说法揭示了热量传递的不可逆性；开尔文的说法是：不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不引起其它变化，这个说法揭示了热功交换的不可逆性。举例来说，将一杯开水和一杯冰水倒在盆里，盆里水的温度会中和，而且这个过程不可逆，即一盆水不会自动地分离成一半开水和一半冰水。温度中和过程是系统从有序向无序转化的过程，“熵”作为系统混乱度的表征，中和过程就是熵增过程。这种“熵只能增加而不能减少”的原理有个重要的前提条件，即系统必须是孤立的，若系统不是孤立的，而是伴随着能量的输入，那熵减就有可能发生了。

科学研究没有禁区，总是有人在寻找着热力学第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理学家麦克斯韦设计的一个头脑实验—麦克斯韦妖。他假设了一个密闭的容器，由一个没有摩擦力的隔板分成AB两部分，隔板上有个由妖魔控制的阀门。起初两侧温度相同，当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动时，妖魔就打开阀门令其通过，反之，当高速分子由B向A运动或慢速分子由A向B运动时，妖魔就关闭阀门。久而久之，高速分子都跑到了B区，慢速分子都跑到了A区，于是这个封闭系统的有序性大大增加，而熵就大大减少了。这只想象中的妖魔打破了“封闭系统的熵只能增加”的热力学第二定律，若它真的存在，那我们就可以利用温差对外做功了，科学界将这类违背热力学第二定律的热机称为“第二类永动机”。

这只想象中的妖魔曾令物理学家们伤透了脑筋，长期以来争论不休，直到上世纪50年代，法国物理学家布里渊用信息论驱逐了这只妖魔，捍卫了热力学第二定律的正确性。布里渊在其专著《科学与信息论》及一系列论文中，从信息论的角度分析了妖魔的分辨本领及控制能力的来源。由于容器是密闭的孤立系统，妖魔处于绝对黑体中，它是不可能看清任何东西的，当然也就无法分辨分子运动的速度和方向，系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮，它才有可能看清楚并正确控制阀门，从而增加系统的有序性并使熵减少，但这种有能量输入的系统就不再是孤立系统了，当然就不再适用于热力学第二定律了。

布里渊还进一步分析了信息论中的熵与热力学中的熵的定量关系，得出了公式1bit=kln2(J/K)，其物理意义是：要获取1bit的信息，其熵必定减少kln2=0.957×10^-23(J/K)，其中k=1.38×10^-23(J/K)。例如T为300K时，则要消耗2.87×10^-21（J）的能量。信息的获取必须借助于一定的物质过程，而且伴随着一定能量的消耗，不耗损能量而获得信息是不可能的，所以说孤立系统中的妖魔是不可能存在的。

2007年2月的《自然》报道了一种人造的分子机器，它可以使系统逐渐远离平衡态，研究者们将其中关键的控制机构称为“信息擒纵阀”，该阀门使用外部提供的光作为能量源，用来控制分子由低密度向高密度的穿梭过程。在自然界中，几乎所有的重要生理过程都是通过分子机器来驱使化学系统偏离平衡的，研究者的目的就是靠人工系统在分子尺度上也完成类似的任务，这可能导致具有生物体类似功能的分子器械的出现，例如将某些离子从低浓度的区域移动到高浓度的区域，这在医学上具有重要的应用前景。这个实验系统是开放的，它消耗了外部提供的光能，从而产生了熵减过程，这个实验验证了布里渊的理论，即熵减过程必须伴随着能量的消耗。

科技日报2010年11月16日头版有篇名为《科学家首次将信息转化为能量》的文章，文中介绍了日本的一项研究，研究人员在实验室中让一个纳米小球沿电场制造的“阶梯”向上爬动，爬上一层后利用电场能量在那层阶梯上加一堵墙，使之落不下来，该小球就会越爬越高，从而势能也越来越大。与上一个人造分子机器类似，这同样也是一个熵减过程实验，其主要贡献是纳米尺度上的精密控制新技术。

编辑如实地反映了这个研究，但“验证了约150年前英国物理学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”这一设想”这个说法却是个误解，而且文章末尾由这个实验联想到了对能量守衡和转化定律的挑战，这显然也是误读。“孤立系统”是热力学第二定律的熵增原理必不可少的条件，而这两项研究借助的系统都不是孤立系统，而是与外界有能量交换的开放系统，不同之外在于前者使用的是光能，而后者使用的是电能。研究结论不仅不是对热力学第二定律的挑战，恰恰相反，它们是对该定律的验证，若把他们实验室的电闸拉了，什么也不会发生。

国内某研究员的一项研究倒是可以拉掉电闸的，他研究的是真正的第二类永动机，并将之称为“无偏二极管”。其2000年发表的研究显示，做法是在两块金属板中间夹一层半导体薄膜，其中一块金属板有许多直径很小的井，论文称电子的自由运动通过薄膜后被井壁收集，并慢慢形成电压差，从而可以做功。因为这项研究违背了热力学第二定律，在学术界引起了很大的争议，作者在回应质疑时称其对热力学第二定律进行了完善和重新解释，而且已经进行了多次实验，并证实了确有极微弱电流的存在。但是，其论文并未显示采用了电磁屏蔽手段，不能排除所测得的极微弱电流是外界电磁辐射导致的可能性，而且也没有他人重复并证实该实验的研究报告，这个研究成果并没有被学术界所接受。

科学不仅将很多可能性变成了现实，而且还否定了很多可能性，违背热力学第二定律的第二类永动机就不可能实现，这早已经是科学界的共识，包括美国在内的许多国家早已不受理此类发明的专利申请。国外的那两项研究也跟试图推翻热力学第二定律毫无关系，它们不过是在极微小尺度上精密控制技术的成功探索，只是实验结构与“麦克斯韦妖”这个头脑实验有些形似，于是被拿来说事了，而这只小妖早已经被驱逐60年了。

参考文献：
1、傅祖芸，《信息论--基础理论与应用》（第2版），电子工业出版社，2007年12月
2、《NATURE》2007年2月1日http://physicsweb.org/articles/news/11/1/26/1
3、“科学家首次将信息转化为能量”，科技日报，2010年11月16日
http://digitalpaper.stdaily.com:81/kjrb/html/2010-11/16/content_81918.htm?div=-1
4、徐业林，“无偏二极管的实验与分析”，导弹与航天运载技术，2000年第3期
5、徐业林，“无偏二极管与热力学第二定律”，光明日报，2004年12月30日
6、“熵中妖精挑战绝对零度”，环球科学，2011年第5期