非互易性与麦克斯韦妖

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1、非互易性与麦克斯韦妖高铁铸非互易性与互易性, 即极性与非极性、 秩序性与混沌性, 是物质特殊组织构造形成的物理相互作用渠道的对称性, 即物理量在具体的交换渠道、 交换体系下的特殊交换形式的关于对称的性质。虽然关注的都是对称性,但互易性与对称性是两个不同的范畴。对称性是物理基本相互作用范畴,关注物质抽象、一般、普遍、基本的空间反演规律;互易性则是物理系统作用范畴,关注物质具体、特殊、个别、系统的空间反演现象或效果。以手套和袜子为例,对称性是构成织物材料的物质分子对称与非对称性范畴,互易性是单只手套或袜子的对称与非对称范畴。手套一般都有非互易性,即左右手不可互易、不可对调;而袜子具有互易性,即左右

2、脚都适应。具体的一只手套或袜子的对称性,与材料的物质构成的分子对称性,是两回事。对称性是物质对称性质的可能性 范畴,互易性则是物体、器件、系统、渠道、构造等对称性质的具体表现 范畴,两者是本末关系,对称性为“本”,互易性为“末”。因此,一个交换渠道、交换介质、交换中介系统的互易性,是系统内物质的组织结构、外界条件、传输物理量等综合效果、综合结果、综合产物,即物质具体关系“设计”、“造化” 的特殊结果, 是物理基本性质在系统综合关系下的外在表现形式。 决定互易性的是系统的物质“关系” ,而非系统的基础物质“秉性” 。如何设计、构造、组织、协调系统成员的关系,是互易性的关键,这是与对称性取决于物质

3、基本构成的最根本区别。真空是最简单、最一般的媒介“系统” ,其对称性最好,为完全的互易性中介“系统” ,没有任何极性,物理相互作用的双向完全等效、对等、对称,因而是理想的混沌条件;那些因物质的特殊组织秩序和条件构造的双向不对等、非对称的极性交换中介系统,为非互易性中介系统, 左右或扭曲物理基本相互作用的对称性,像车站、公园出入口的检票门那样。互易性与非互易性是交换中介系统对立、 互补的两种性质, 一切交换渠道, 都包括在这两种性质之内。宏观水阀、电阻、镜片等元器件,可视为对水流、电流、光通量的双向互易性交换中介系统;而单向阀、二极管、光隔离器等元器件,则是水流、电流、光通量的双向非互易性交换中

4、介系统。 宏观动能、 势能、电能、光能的传输系统, 都是互易性与非互易性的对立同一;而在热运动中, 人们发现只有互易性, 而没有非互易性的存在, 即热运动不是互易性与非互易性的对立统一,而是清一色的互易性一统天下。这与对立统一的哲学观发生了冲突。一种观点是, 因为热运动的直接相互作用的空间太狭小、局促, 人类技术手段尚无力安放如此微小而复杂的非互易性热交换中介系统自发无源极性热路麦克斯韦妖,互易性是现有条件下的偶然, 而非必然;另一种观点是,熵增不可逆就是世界的基本法则,不存在更根本的原因, 事实就是证明。 本文认为, 这其实就是隐含或间接地将自发无源互易性热路的绝对化克劳修斯妖的本质。互易性

5、热交换的绝对化是热力学第二定律暗含的基本前提。这种实用主义观点,与其说是理性思维的结果,不如说是思想对现状的无奈或屈服。对比热交换互易性的克劳修斯妖本质, 麦克斯韦妖受到严重曲解, 已经失去了作为克劳修斯妖对手的资格。回归麦克斯韦的本意,将麦克斯韦妖与克劳修斯妖完全对立起来,即:麦克斯韦妖和克劳修斯妖一样,都是自发无源热交换热路,都不消耗信息和能量,而完全靠热运动自身的能动性保持热交换永无止息的运动;区别仅仅在于: 麦克斯韦妖是 “ 非互易性”,克劳修斯妖是“互易性”。即,麦克斯韦妖的本质是自发无源非互易性 热交换,克劳修斯妖的本质是自发无源互易性 热交换。麦克斯韦妖的“神通”不在于“力”,即

6、不是通过付出自身的蛮力,提供能量获取信息,驱动另一个熵增过程;而在于“智”和“巧”,即利用热运动本身不竭的冲动,巧妙构造、组织、引导、“设计”、“造化”,使热运动 自发 地两极分化。麦克斯韦妖不是基本物理相互作用的必然, 而是物质运动复杂到 “智慧” 程度的结果。克劳修斯诅咒随人类智慧的发展必将烟消云散。有了热交换绝对互易性的克劳修斯妖存在,熵增不可逆就是热运动的必然结果,这是热力学第二定律的必要条件;克劳修斯妖的绝对性和麦克斯韦妖的否定性,构成热力学第二定律的充分条件; 有了热交换非互易性的麦克斯韦妖存在, 熵减机制必然出现, 克劳修斯妖与麦克斯韦妖的对立同一,是热力学第二定律的句号,和第二

7、类永动机的种子。毫无疑问, 克劳修斯妖普遍存在于热运动中。 麦克斯韦妖和克劳修斯妖这对生死冤家扭结的关键,就是热路的“是” 、还是“非”的互易性。非互易性热路即麦克斯韦妖究竟是否存在,是热力学争议的焦点。热路绝对互易性的克劳修斯妖绝对化“理念” 的荒谬性不难证明,先哲前贤已有大量精彩论述。若拿不出非互易性热路的麦克斯韦妖证据,一切议论都枉然。幸好, 传热过程并非仅限于分子热运动一途。热辐射传热方式给非互易性热路的麦克斯韦妖留出了足够的空间,使人类可以尽情地施展、发挥技术智慧。因为,在辐射热路中,麦克斯韦妖不仅存在,而且已经苦苦地等待很久了,就像孤独的灯塔闪耀,而我们却熟视无睹。1845 年法拉

8、第发现的光非互易性磁光效应,是比“心中”更早的“山中”麦克斯韦妖。热辐射形式的热力学第二定律,是以辐射角系数的相对性形式体现的,它建立在热辐射交换的绝对互易性基础上。热辐射交换互易性的美梦被“山妖”惊醒后, 将不得不面对热交换存在非互易性这一铁的事实。 基于磁光效应的光隔离器, 是激光通讯中光传输无源非互易性器件,给正向传输光以低插入损耗,反向传输光以大衰减, 这是热辐射交换热路上的 “热极管”、单向阀,能够单向通过、 逆向阻隔热量 。光隔离器作为辐射热交换的中介器件,热辐射交换热路的极性节点, 带来了热的自发非互易性无源传热机制,这是辐射版麦克斯韦妖, 既不需要信息输入, 也无需注入能量, 仅靠热辐射本身的能动性,驱动非互易性热交换的持续运行,打破热辐射角系数的相对性,启动温度自发分化、极化机制,给热力学第二定律画上句号。自发熵减或第二类永动机运行,都是热交换非互易性即麦克斯韦妖的必然结果。热交换的非互易性, 作为麦克斯韦妖基本原理, 其科学依据就是磁光效应, 这是法拉第磁光效应伟大意义所在。热交换的非互易性也不会仅限于磁光效应一域, 更多形式的麦克斯韦妖等待着我们去发现和创造。带点粒子选择器,是另一种麦克斯韦妖。

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