■Michael Lucibella/文
■萧如珀、 杨信男/译
■译自 APS News，2013 年 5 月
费曼（Richard Feynman）
1948 年，爱丁顿爵士（Sir A. Eddington）清楚说明热力学第二定律占据着“自 然法则最高的位置”，他哀叹说，如果有人设计出一个违反第二定律的理论，“就 会走上彻底耻辱性的崩溃一途”。虽然如此，却无法阻止物理学家经常提出推测性的想象实验，看看要如何违反第二定律， 这些过程也因此深化了我们对它的理解。
其中最著名的“麦克斯韦精灵”，是麦克斯韦（J. Maxwell）最早于 1867 年 12 月给苏格兰 数学家泰特（P. Tait）的一封信中所提出的。麦克斯韦想象说，有一个容器，里面充满处于热平衡的气体分子， 有一个绝缘隔板将容器一分为二。容器内有一个精灵定期地打开隔板上的门，让速度比平均要快的分子往同一 方向流动，一段时间后，两个空间就会产生温度的差异， 可以用来做功。以第二定律的统计性来看，这只精灵似乎打败了熵的增加。
大约 100 年后，费曼（R. Feynman）再度思考此概念，他以自己从热力学所得到的灵感设计想象性实验， 似乎违反了第二定律。费曼成长于美国纽约皇后区法洛克威，自幼即喜爱解难题。在他的高中时代，有一位同学常会一早就问他一道几何难题，费曼会一直思考至解出为止。在一整天当中，其他同学会拿相同的难题问他， 他都能立刻为他们解出来，因此赢得了“超级天才”的声誉。他的整个物理生涯即是在解答越来越复杂的难题。
费曼于 20 世纪 40 年代初期加入了曼哈顿计划， 当时他还是一位研究生，生性爱恶作剧，只因好玩就去破坏洛斯阿拉莫斯实验室的安全系统。他自己学会安全开锁的技巧，撬开保管库的锁，里面有建造原子弹最机密的秘密。他从未取走任何数据，只留下讥讽的字条，感叹曼哈顿计划安全系统的松散。费曼晚年培养出绘画与打鼓的兴趣。
20 世纪 60 年代，费曼是美国加州理工学院的物理教授，参与了一个提升加州理工学院大学部学生教学的三年计划。结果他整理出 经典的授课内容，最后出版成《费曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics）。此讲义光是英文版就卖了 一百五十多万册，一直指导激发着现在的年轻物理学家。
在那些讲义中，费曼于 1962 年 5 月 11 日说明“布朗式棘轮”的设计，此设计是基于先前波兰物理学家斯莫卢霍夫斯基（M. Smoluchowski）于 1912 年的研 究工作。斯莫卢霍夫斯基设计出一个机器，可以从温度平衡系统的热能中撷取有用的功。此机器由一浸在液体中的小桨轮，和一个由轮轴所联结的棘轮所组成 （图 2）。液体中的分子呈现随机的布朗运动，它们的碰撞让桨转动。重点是，防止齿轮逆转的制转杆会阻止反方向的旋转，因此桨会持续沿同方向转动，可用来做某些功，产生机械能。
费曼修正了斯莫卢霍夫斯基的想象性实验，他证明给大学部学生看，棘轮不会一直沿同方向转动，因为制转杆也会呈现布朗运动，会上下抖动，因此棘轮的轮齿有时会向后滑动，而不是向前转动。事实上，费曼对此装置做了第一个定量分析，得到的结论是， 随着时间的流逝，机器向后转动和向前转动会一样多， 因此抵销任何做功的可能性；而且很可能由于没有外在的能量来源让它继续转动，最后会丧失能量。唯一可以从此系统撷取功的方法是，要想办法让机器两边 的气体产生温差，就像蒸汽机的基本原理一样。
费曼的想象性实验几十年来让物理学家深感兴趣， 甚至将它延伸到多个棘轮的情形。最后它发展成布朗电动机的概念：纳米尺度的机器，可以从非平衡的微小来 源，例如化学势，取得有用的功，而非从热噪声来取得。
2010年，荷兰特温特大学成功地展示了一部利用布朗棘轮的机器，使用了 2000个跳动的珠子，珠子的跳动让机器中的桨转动，产生了小小的净能量。为了确定桨只会转同一方向，推德的研究员将桨的每一叶片的一边覆盖住，这样珠子每碰到覆盖的那一边就会失去更多的能量。
这是一个很无效率的系统；它大部分的能量都化为热和声音消失了。它并未违反第二定律，可是，它可清楚解释生物分子，如核糖核酸聚合酶和驱动蛋白的运 动。在那么小的尺度中，这些分子根据棘轮机制在身体 里沿着细胞内的轨迹移动，此现象称为后档作用。特温特的设备便是此运动模式在大比例尺度的呈现。
因此，爱丁顿宣称第二定律不可能被打破，严格来说是正确的。然而，足智多谋的物理学家却继续证明它也许可以弯曲。
进一部阅读
Eshuis, P. et al. (2010) “Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas,” Physical Review Letters 104(24): 4.
Feynman, R.P. The Feynman Lectures on Physics, Vol. 1 (Chapter 46). Boston, MA: Addison-Wesley, 1963.
Von Smoluchowski, M. (1912) “Experimentell nachweisbare, der Ublichen Thermnodynamik widersprechende Molekularphenomene,” Phys. Zeitshur 13: 1069.
( 本文转载自 2016 年 6 月《物理双月刊》，网址： http://Psroc.org. tw/Bimonth/index. php; Email: Snyang@ phys. ntu. edn. tw)
来源：《现代物理知识》Vol. 28 Issue (3): 65-66
APS News 《This Month in Physics History Email Facebook Email Share More May 11, 1962: Feynman’s “Brownian Ratchet”》见↓↓↓阅读原文↓↓↓
