论文抓住麦克斯韦妖的尾巴重新定义能源，该文是关于定义类论文范文集和麦克斯韦妖和重新定义和尾巴方面开题报告范文.
1859年8月27日,埃德温·德雷克(EdwinDrake)在美国宾夕法尼亚州钻的一口找油井涌出了油流,标志着现代石油的诞生.不久之后,1865年德国物理学家克劳修斯提出熵的概念.
在过去波澜壮阔的150年中,熵在哲学和科学的领域上都有着惊世骇俗的蜕变,从纯热力学熵到剩余熵乃至信息熵,无不令众多科学家为之倾倒,但却没有人能真正知道熵意味着什么.恰恰是在这150年中,人们将能源的重任交予石油,而后又将目光放在新能源上.
能源一词似乎并不那么难懂,垂髫小儿好像也可说出能源的定义.然而克劳修斯命名的熵(entropy)与能源(energy)如此相似,意味着能源与熵休戚相关.那么既不知熵,何以知能源所以然？因此,在重新认识能源前,不得不先审视熵的含义.
熵的前世今生
熵一词源自希腊语的“转化”.由热力学第一定律“宇宙的能量守恒”和热力学第二定律“宇宙的熵恒增”可以看出,在热力学中,熵不是能量的一种,也不是能源的数量,而是如克劳修斯所说的,是能量的不可用程度.汤姆森将其表述为耗散,即能量没有损失,只是耗散了,耗散的能量仍在,但已无法被人利用.而熵的本质特征是无序性,麦克斯韦指出,可用的能量．是那些可以按我们的希望被引导进某个渠道中的能量；耗散掉的能量则是那些我们无法掌握或按意志加以引导的能量.举个简单的例子,时间一去不复返,时间本身取决于几率,而这几率又倾向于混乱程度大的,即时间的消耗是我们无法掌握或以意志可以加以引导的,这就导致了时间不可逆.
熵是与时俱进的,不同时代的熵有着不同的形式.在19世纪上半叶,工业使用的蒸汽机效率低下的问题引来了许多研究人员关注,卡诺早在1803年的论文中就表达了机器运动部件的加速度和冲击都代表了其活动时的损失.跟随着卡诺的脚步,克劳修斯在1850年率先阐述了熵的基本思想和热力学的第二定律.吉布斯在1873年也假定了两种类型的能量：可以转化为功的可用能量,以及无法转化为功的不可用能量,而熵是不可用能量的量度.克劳修斯和吉布斯在封闭空间中的熵颇有建树,而普里戈津打开了开放空间的大门.
1877年,玻尔兹曼和吉布斯引入了热力学熵的统计方程,用统计学来解释热力学问题,不得不说是质的飞跃.遍历微观状态的变化趋势,即可以找到系统的宏观属性.玻尔兹曼设想的气体分子,像一个盒子里的台球一样碰撞,每次碰撞都会给非平衡分布带来更多的紊乱,导致宏观均匀性的最终状态和最大的微观紊乱,即最大熵的状态.因此,熵代表热力学系统的无序性.吉奥克(Giauque)基于玻尔兹曼方程的思想引入了剩余熵,剩余熵是处于非平衡态的物质与其处于完整晶体状态的物质在温度趋近于绝对零度时熵的差值.20世纪中叶,香农从头构建了熵的数学理论.在香农的信息论中,熵度量的是一条讯息的不确定程度,即身为由信源发出的所有可能讯息中的一条的概率.可以看出,香农熵与玻尔兹曼熵有着极高的相似性.事实上,要减少密闭容器中气体的熵,就要对外做功,这就必须以信息作为支付成本.
雷泽(H. Layzer)进一步考虑了信息和熵之间的定量关系,他认为信息应分为两大类：已知信息和未知信息.已知信息将被表示为I,未知信息等于用比特来测量的热力学熵.热力学熵和信息通过简单的守恒定律相关,其表明信息量和熵的总和是恒定的.因此“信息的获得总是通过相等的熵损失来补偿”.举一个简单的例子一一读书,一本书包含一定数量的信息Imax,当人们阅读这本书时,人们知道的已知信息量会增加,而未知信息量或熵会减少.读完这本书后,人们达到了Imax这个最大值.
由与材料学相关的熵和一种与信息理论相关的熵可看出热力学熵和剩余熵的单位是J/K,而信息熵的单位是比特.大量研究证明,热力学熵和信息熵都可用相同的单位来测量也就是说,比特和瓦特协同发展在理论上是站得住脚的.麦克斯韦妖的尾巴
麦克斯韦妖控制着分割密闭容器的隔板上的一个微孔,它能看清飞来的分子,能判断它们运动的快慢,并且选择是否让它们通过.因此,它能让在无需做功的情况下密闭容器内的半边空气,或是半根铁棒变得滚烫,同时另一半变得冰冷.麦克斯韦妖也许不需要能量,但在筛选的过程中,它需要信息并用信息降低了熵.不妨说,麦克斯韦妖统治的是一道大门,一道从物理世界进入信息世界的大门.信息是主观的,但信息熵是客观的,因此信息也可看做是物理的.而麦克斯韦妖在信息和物理两者间架起了桥梁,它每处理一个粒子,就是做了一次信息和能量的转换.它每获取一单位的信息总是会带来一定的熵的增加.
事实上,我们生物体和麦克斯韦妖相似.我们和其他非生物体一样,从年轻力壮到老弱无力,都由有序状态逐渐趋向无序状态.但这有序到无序的状态相隔时间相对于非生命体长的多,似乎有股力量在阻止我们向无序方向发展,这正是我们生物体和麦克斯韦妖相似的地方.正如薛定谔所说,生命体以负熵为食,即新陈代谢的本质是生物体成功使自己摆脱在其存活期内所必然产生的所有熵.而麦克斯韦妖则是以信息为食,通过信息麦克斯韦妖进行了超乎常人所能想象的移动和物质交换.
在信息时代之前,麦克斯韦妖时而死去时而化身鬼魂,在物理学城堡里阴魂不散.但在我们这个时代,“信息过载”“信息焦虑”乃至“信息疲劳”,信息的固定成本已大大削弱,而信息的可变成本也几乎为零.在这个时代,麦克斯韦妖也许可以死灰复燃了.
在大量的信息下,成群的“麦克斯韦妖”给一个个交易做标识,使交易向低熵的方向行进,低熵代表着秩序,也就是说麦克斯韦妖可以消除假的节点,建立了一套信用体系,而在这套信用体系下,区块链技术的去中心化相得益彰.重新定义能源
关于能源有着20多种定义,《大英百科全书》说：“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语,人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”；《日本大百科全书》说：“在各种生产活动中,我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功,可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体,称为能源”；我国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源.”可见,在传统的定义中,能源是一种呈现多种形式的,且可以相互转换的能量的源泉确切而简单地说,能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源.
在能源的定义中都不将信息与能源相挂钩,也许这是不妥当的.热力学熵是能源不能利用的部分信息熵增必然会带来相应的信息的减少,而热力学熵与信息熵又有着高度相似,由此可见信息可能是能源的背面两者如同道家太极两仪,二者相辅相成,从烽火到电线,能源的革命使信息传递更加迅速便捷；从煤炭到电力,信息的注入使能源使用更加高效清洁.在工业时代,能源使信息走得更远,而在信息时代,可再生能源与分布式能源相交织.因此,能源不应当再局限于自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源,在脚踏实地的同时,我们还应仰望星空,我们需要捕捉那些我们看不到而又客观存在的信息融入我们的能源中.这样,我们的能源才能走得更好更远！
法国数学家庞加莱曾说过,“只有如麦克斯韦妖这样拥有无限敏锐的感官的存在物,才能梳理这团乱麻,并扭转宇宙不可逆的走向.”诚然,只有当我们抓住麦克斯韦妖的尾巴,将信息流注入能源流,才能扭转能源不可逆的走向,即能源应包括信息.
今天看来,及时正确地认识能源的定义是十分重要的.老煤矿企业的衰落、石油石化企业的困境及芯片禁运如同石油禁运效果等等,这都反映了一个现象,即我们对能源的理解太狭隘了,是我们的肤浅使得能源战略、能源企业战略过于片面化,没有跟信息结合好,能源管理问题也是这样,政府部门及企业主管部门没有及时调整能源定义的范围,能源企业的业务空间限制在一个狭小的范围里.
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参考文献：
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