關妖精的瓶子
物理學的另類解讀
夏笳
詹姆斯·C·麥克斯韋先生雖然是一位嚴謹的物理學家，但是在麵對超自然現象時卻相當能沉得住氣，這或許要多虧了他的妻子對一切民間傳說的多年愛好。
眼下一位不速之客正坐在壁爐旁邊，樣子多少有點寒酸。經過主人的再三請求，他才勉強摘下頭上那頂又厚又皺的暗綠色尖頂帽放在膝蓋上揉捏著，露出汗涔涔的額頭和那雙標誌性的毛茸茸的耳朵。
“抱歉，失陪一下。”麥克斯韋先生說著，起身離開了客廳，這時瑪麗正端著咖啡站在走廊盡頭。
“那就是傳說中的妖精？”她好奇地問。
“至少他自己是這麽說的。”
“個頭倒挺大的。”瑪麗評價道，“就是樣子好像不太中用。”
的確，那個坐在壁爐旁的……（該怎麽稱呼呢？東西？）完全沒有任何可以稱作是威嚴、神奇甚至是可怕的儀容，披著一件破舊的外套，倒像一個剛從玉米地裏鑽出來的農場工人，盡管他確實是像傳說中那樣，“嘭”的一聲，伴隨著一陣煙霧憑空出現在麥克斯韋先生的實驗室裏的。
“我想這是個玩笑，”麥克斯韋先生聳聳肩，“盡管不明白為什麽。”
“不過你還是小心點，妖精的力量沒準兒並不像外表看上去一樣。”瑪麗說道，語氣中卻聽不出什麽擔憂之意。他們一起回到了客廳。
喝下一杯熱乎乎的黑咖啡後，妖精看上去放鬆了一些，於是麥克斯韋先生重新挑起話題：“龍……抱歉，這位先生，您一開始說您的全名是？”
“科魯耐裏亞斯·古斯塔夫·龍佩爾斯迪爾欽(1)。”妖精回答道，表情幾乎有點不好意思，“這是後來人家給我起的，一個非常古老的德國姓氏。”
“是的，是的，先生，不過還是讓我們繼續吧，我記得剛才我們談到阿基米德。”
“對，他是我的第一個主人，實話說吧，一個不折不扣的老瘋子。”妖精板著臉說，“我被他使喚了幾十年，造了不知道多少亂七八糟的東西，羅馬兵攻進敘拉城的前一天晚上，他把我封到石板裏麵，一封就是一百多年哪(2)。”說到這裏，妖精的眼睛居然有點濕潤了，他連忙用長滿毛的手背胡**了兩下。
麥克斯韋先生清了清嗓子：“我明白，不過您還沒說你們當時打的什麽賭呢。”
“打賭？哦，是的……太久啦，我……我記不清了。”妖精結結巴巴地說，繼續低頭揉捏他的破帽子，“其實那件事兒從開頭就注定是我吃虧，您也知道他是個多難纏的老頭。”
“好吧，那麽您又是怎麽從法拉第先生的實驗筆記裏冒出來的呢？”
“這個說起來話可長了，中間經曆了好多事兒哪，您要是知道了我那一串兒主人的名字準能猜到是怎麽個過程，我也不跟您在這兒廢話。”妖精抬起頭，用一種近乎哀怨的眼神望著對方，“總之你們這些搞物理的沒幾個正常人，就拿那位法拉第先生來說吧，我那天正幫他纏線圈纏得好好的，他就突然跟我來一句：‘你跟著我已經夠久了吧，我也沒什麽事兒要你做了。’連聲告別都沒有，就這麽著拿個本子把我封起來，然後我就稀裏糊塗地到了您這兒。千真萬確，跟了他這麽久，除了線圈就是線圈，連一個銅板也沒想起來向我要過。”
麥克斯韋先生剛想對此事發表一下評論，因為，眾所周知，法拉第先生是他的老師，但是瑪麗儀態萬方地出現在了門口。
“詹，要留這位先生吃晚飯嗎？”
妖精頓時坐立不安起來：“不……不用麻煩了，先生，太太，我想我們還是盡快把事兒辦了吧。”他從口袋裏摸索出一卷油膩膩的羊皮紙，因為年代久遠而殘缺不全。
麥克斯韋先生展開細細地看，妖精在旁邊繼續說：“總的來說就是這麽回事兒，咱們倆打個賭，我輸了，我就供您差遣，要是您輸了，您的靈魂和一切財產就歸我，而我就從此自由了。”
“一定得這麽辦？”瑪麗斜過身子問道。
“老規矩啦，太太，幾千年來大家都是這麽辦的，您大概多少聽說過。”
“和妖精打賭未必是件有利可圖的事。”麥克斯韋先生抬起頭，“你能帶給我什麽？”
“很多。”妖精伸出毛茸茸的爪子，亮閃閃的金幣從掌心裏冒出來，他故意讓它們叮叮咚咚地落在地上，“財富，權勢，地位，隻要是你所要求的。”
麥克斯韋先生好奇地望著他的手掌：“不管怎麽說，這似乎是個機會……”他喃喃自語道，“好吧，瑪麗，我們遲會兒再開飯，現在先拿支筆來。”
打賭的規則是這樣的，麥克斯韋先生提出一個難題，如果妖精在24小時內無法解決，勝利就歸麥克斯韋先生，否則就是妖精贏得一切，當然，前提條件是這個難題必須是有某種特定答案的。
“不能拿些不清不楚的問題來難為我，先生，您讓我繞著美洲大陸跑一圈都成，別問我能不能出個自己都回答不了的難題(3)。”麥克斯韋先生表示接受。
“這事兒怕沒那麽容易，親愛的。”麥克斯韋夫人心中多少有點忐忑不安，“你怎麽能有把握贏過妖精呢？”
“聽我說，瑪麗。”麥克斯韋先生小心地壓低聲音，“我仔細看過契約書了，猜猜我發現的最有意思的事情是什麽？那一長串簽名，亞裏士多德、伽利略、牛頓、哥白尼，幾乎我所知道的物理學家都在上麵，齊全得可以編進百科全書了。這倒不稀奇，可是你想想看，幾千年來，從沒聽說這上麵的哪個人是因為和妖精訂了什麽契約而輸掉性命的，我想我還不至於是第一個。”
瑪麗迅速地眨眨眼睛。
“可憐的妖精。”她歎出一口氣，“你打算怎麽為難他？”
“慢慢看著吧，其實我也沒有什麽把握。”
就在妖精把他汗涔涔的尖頂帽揉到一百零八次的時候，麥克斯韋夫人帶著和藹可親的微笑把他請進丈夫的實驗室，順便小心翼翼地從他手裏搶救出飽經**的帽子掛到衣帽架上，這時候麥克斯韋先生正在對初具雛形的儀器設備進行進一步調試。
“我想這樣就可以了。”麥克斯韋先生將塞有橡膠塞的一端從水槽裏取出來(4)，說道，“來吧，這邊是入口。”
妖精用近乎絕望的眼神看著這堆閃閃發光的玻璃器皿，它的主體是一個兩端有橡膠塞的大玻璃瓶子，瓶子中間被一道豎直的玻璃隔片隔成兩半，其中一邊裝有一些液態乙醚。
“你要把我關進去？”妖精有氣無力地問。
“不錯，讓我們來看看你能不能找到出來的辦法。”麥克斯韋先生回答道，“這將是很有意義的一次實驗。”
“妖精站在空瓶子的那一頭猶豫了一陣，帶著聽天由命的神情縮小身軀鑽進瓶子裏，隨著一陣響動瓶口被塞住了。
他飄浮在空氣裏向四周張望著，玻璃瓶壁展開一個圓滑的弧度，將外麵的景物放大了很多倍，麥克斯韋先生及夫人正在向裏麵好奇地張望著。
直接出去是不可能的。眾所周知，在任何一個童話裏，一個妖精再怎麽神通廣大，隻要被人關進了玻璃瓶就再也別想出去。（這個奇怪的事實或許說明了妖精的變身能力是有限度的，否則他就可以縮到原子級別，然後從二氧化矽巨大整齊的網格中悠哉悠哉地鑽出去(5)，雖然我們很難說他會不會受到靜電力的影響而被牢牢地吸附在某個共價鍵上。）顯然，麥克斯韋先生是將這一點考慮進這個有趣的實驗中的，哦不，差點忘了，這是一場生死攸關的賭博。
那麽，要出去隻有一個辦法，一個由實驗者事先決定好的，唯一的方法。
我們應該說妖精科魯耐裏亞斯·古斯塔夫·龍佩爾斯迪爾欽具有相當良好的科學頭腦，或者，至少是在長達幾千年與物理學家的相處中多少學會了一些科學的思維方式。最初的沮喪情緒逐漸平息之後，他開始嚐試著把自己縮得更小，然後仔細地檢查玻璃瓶的每一寸內壁。
當麥克斯韋先生和夫人喝過一杯咖啡，進入實驗室觀察進展時，妖精重新把自己變到肉眼可見的尺度，身上滿是濕乎乎的乙醚蒸氣。
“我在橫隔上發現了兩個小孔。”他宣布說，“對我而言它們稍微窄小了一點，不過我還是把腦袋探到另外一邊去看過了，除了令人暈眩的氣體外什麽也沒有(6)。”“那些孔本來說就不是為你弄的。”麥克斯韋先生略帶歉意地說，“我盡量把它們弄小一點，這是出於實驗目的的考慮。”
妖精搔搔毛茸茸的後腦勺。
“我想我很快就能明白你的意思。”說完它又變得看不見了。
當他們走出實驗室時，麥克斯韋先生夫人像少女般調皮地眨了眨眼睛，說：“我開始認為你贏定了，親愛的，不過這沒什麽了不起，一個漁夫都能做得比你好(7)，可以的話我倒想聽聽其中的奧秘。”
“事實上，我想看看他有沒有可能將冷熱氣體分開，換句話說，速度快的和速度慢的，這裏涉及減熵的問題。”麥克斯韋先生回答道，“你知道，熱力學第二定律規定能量不可能無代價地由高能物體轉向低能物體，換一種說法，物體內部的無序程度，也就是熵，永遠隻能朝著增加的方向變化。就是為什麽一團熾熱的氣體能夠自由擴散，而要把它壓縮回原來的狀態就得靠外界對它作功的原因。玫瑰凋謝，人會漸漸成長並老去，而宇宙最終會變成一團稀薄均勻的氣體，不再有星星燃燒，一切一切都是熱力學第二定律在起作用(8)。”“聽上去太讓人傷心了。”瑪麗握著他的手低聲說道，“我不喜歡這個定律。”
“還好，它不是我總結出來的。”麥克斯韋先生溫柔地笑笑，“但是我想這並不絕對，如果有個跟氣體分子差不多大小，心靈手巧的妖精在一團氣體中間把著門，讓速度快的分子進入一邊，而速度慢的分子進入另一邊的話，經過足夠長的時間氣體將自動分成冷熱兩個部分，結果呢？熵會減小，這個不討人喜歡的定律失效了。”
“有可能嗎？”瑪麗睜大眼睛問道。
“隻是個假設，我從來沒想過能有機會用實驗證實一下。理論上第二定律是不可推翻的，瞧，我們的身家性命都押在這個定律上呢。”
“這真讓人心裏有點不舒服。”
麥克斯韋先生微笑著摟過夫人的肩膀，在她額頭上輕吻一下：“你先去睡吧，親愛的，我想繼續觀察一小會兒。”
一個小時後他再去看的時候，發現妖精已經抓住了訣竅。
“我縮小到了所能到達的極限，那些空氣分子就像一些瘋狂的小彈珠一樣飛來飛去(9)。”妖精氣喘籲籲地說道，“我在想如果能控製這兩個小孔，隻讓速度快的進入另外一邊，就會使那邊的溫度升高，讓**變成氣體推動塞子，甚至可能發生爆炸(10)。”“看來你真的知道不少東西呢。”麥克斯韋先生讚許道，“加油幹吧，可能的話順便幫忙記錄一下那些朝你飛過來的小分子速度，或許我能借此機會驗證一下我的速率分布理論(11)。”說完他便離開了。
第二天早餐後麥克斯韋先生與夫人欣賞了一支舒伯特的即興鋼琴曲，然後邁著輕快的步子走向實驗室，清晨涼爽的風正從窗外的玫瑰花園裏吹進來。
“怎麽樣？”他俯下身子仔細看了看，乙醚液麵並沒有明顯的下降，“看來你這一晚上效率並不高啊。”
妖精甚至沒有現身，隻是扯著嗓子大喊著：“您自己試試看就知道啦，先生，槍林彈雨哪，哎喲！對，我是說，在您看來這分子好像老老實實的，其實一個個都跟發了瘋似的，能站穩腳跟兒就不錯啦，哎喲！哎喲！嗨，就好像把瘋狂的牛群分開似的，西部牛仔幹的就是這活兒，行啦，不跟您說啦！”
麥克斯韋先生搖搖頭，這時瑪麗從後麵靠上來，柔聲說道：“你看上去挺失望，詹？”
“可能有一點。”他轉過身，輕吻妻子芬芳的卷發，“我們的妖精雖說不上精細靈巧，可也挺賣力的呢。”
“我們的？”瑪麗衝他頑皮地眨眨眼睛。當丈夫離開實驗室去書房的時候，她小心地拉上窗簾，將早上溫暖明媚的陽光擋在外麵，以免影響了實驗精度。
當他們傍晚散步歸來的時候，終於看到了一點成果——瓶子那邊的溫度確實有升高，但是遠遠不夠。
“其實我早該想到，妖精在內部也要做功的，對這個尺度的妖精而言，這太困難了。”麥克斯韋先生若有所思地說，“無論如何，第二定律勝利了。”
兩個人心平氣和地坐在旁邊等待著。巨大的時鍾敲響了九點整，隨著“砰”的一聲響，妖精氣咻咻地將他那扁平的鼻子貼在玻璃瓶內壁上。
“我認輸了！”他聲音嘶啞地說，“快放我出去。”
妖精被放出來，瑪麗十分體貼地端來麵包卷和熱咖啡，妖精狼吞虎咽了一番，總算恢複了精神。
“我可從來沒幹過這麽累人的活兒，真想讓您找個機會親自試試。”
麥克斯韋先生笑眯眯地叼著雪茄，臉上流露出好奇的表情。
“我想那一定挺有意思。”他邊說邊取出那卷長長的寫在羊皮紙上的契約書，妖精神情沮喪地簽上他笨拙的字體表示新的主仆關係生效。
“以後我就聽您的了。”他把一隻手指頭放到嘴裏，開始輪番咬指甲，“不過您能不能給我解釋一下剛才是怎麽回事？總有什麽科學原理的，對吧？您給我講講。”
麥克斯韋先生撓了撓腦袋，站起來說：“好吧，你跟我到書房來，有幾本書是我自己寫的，可以先補充點基礎的東西……”
他摟著妖精寬大的肩膀走出去了，瑪麗歎口氣，柔順地把滿桌杯子和盤子收成一摞，本來還以為從此這些事情就可以拜托妖精幹的。無論如何，今後的生活看起來相當值得期待。
這就是麥克斯韋先生怎樣輕易地製服了妖精，或者換個角度來說，這位因為遇見了阿基米德，從而決定了之後的幾千年中一係列悲慘遭遇的妖精科魯耐裏亞斯·古斯塔夫·龍佩爾斯迪爾欽，是怎樣又一次不幸失敗的故事，但是這個故事到這裏還沒有完全結束。
當麥克斯韋先生及其夫人去世後，他們在天堂的角落裏種了一小片玫瑰，一時間再沒有什麽物理研究來打擾他們清閑而寧靜的生活，不過心地善良的妖精偶爾會來看看他們。
“你帶來了什麽？”麥克斯韋先生坐在椅子裏問，他的妻子儀態溫婉地站在一邊，姿勢和位置都和他們生前所習慣的沒有區別。
“一張照片，先生，太太。”妖精把那張薄薄的光滑的紙片從背後拿出來，神情有些扭捏，“是我照的。”
麥克斯韋先生把照片舉到眼前細細地看，上麵是一些他不認識的人(12)。“讓我猜猜……哪個是你現在的主人？或者說，是誰看了我的手稿？”
“前排，中間那個，先生。不，再往右邊，您相信嗎？那時候他才16歲，我算是看著他長大的。”妖精邊歎氣邊說，“別看他現在形象這麽邋遢，頭發好像閃電打過似的，當年可是個英俊少年。”
“他都讓你幹什麽了？”麥克斯韋先生好奇地問。
“他跟我說：‘喏，你追著這束光跑，能跑多快跑多快，等你追上它的時候別忘了告訴我你看到了什麽。’你說說，這是人幹的事嗎？”
“當然，當然……”麥克斯韋先生沉思著，“我認為這個想法很了不起，眾所周知，光速是不變的，這我早就證明啦(13)。”
“我不太明白。”麥克斯韋夫人柔聲說，“聽上去是挺難為人的。”
“還有更過分的哪，太太。”妖精眨巴著眼睛，亮晶晶的淚水在裏麵打著轉，“您再看這位先生，背著我不知道搞了什麽鬼名堂，然後拿出個盒子神秘兮兮地讓我鑽進去。我可從您這兒學乖啦，鄭重建議他放隻貓進去試試，讓我猜到底會發生點什麽，結果到現在都不知道那可憐的小家夥是死是活(14)。”“貓？那是什麽意思？”麥克斯韋先生問道。
“這得慢慢講，以後您會明白的，這跟您以前研究的東西不太一樣。”妖經略有幾分得意地回答，“最關鍵的是這個老家夥，對，我就是要說他，他給我講了一上午的物質結構，還笑眯眯地拍著我的肩膀誇我學得挺快，到最後拿著紅筆往滿黑板亂七八糟的圖上圈了兩個小球，然後說：‘好吧，你能讓它們朝同一個方向轉我就服了你(15)’。”麥克斯韋先生疑惑地搖搖頭，顯然，這都不是他研究領域內的東西，但是無疑重新激起了他對於物理學的興趣。
“我會在今天下午的茶會上提出這些問題，你願意參加嗎？或許，你想見見你以前的主人們，現在你所知道的東西已經超過我們了。”
“他們都會來嗎？”妖精有幾分怯怯地問。
“大多數都會來，如果阿基米德先生沒有忘了時間，而牛頓先生又沒有身體不適的話(16)，我們每天下午都會在一起喝茶，這個傳統延續幾千年了。”
“阿基米德先生？你是說阿基米德先生？”妖精抓起他從不離身的尖頂帽從椅子裏跳起來，緊張不安地向四周張望著，“哦，不了，謝謝您的好意，但是我突然想起我還有點事……”
“太遺憾了，你真的這麽不想見到他嗎？”麥克斯韋先生站起來把妖精送到門口，“那麽你能不能告訴我，他到底問了你什麽問題？我猜了很久都沒猜出來。”
妖精回過頭，天堂寧靜的午後陽光鋪灑在他毛茸茸的耳朵和悲傷的黃眼睛上，是如此溫暖寧靜，但他仍然笨拙地縮了縮脖子，仿佛仍不禁在那位容易激動的老人激昂的氣勢威懾之下打了個寒戰似的。
“其實他是個老好人，有時候我還真挺想念他的。”他回答道，“可是他不該衝著我喊：‘給我一個支點！’這可是連上帝都沒法辦到的事情啊。”
(1)這確實是一個作者本人拚湊的，非常古老的德國姓氏。其中龍佩爾斯迪爾欽這個姓來源於《格林童話·矮子精》，故事中的矮子精讓王後猜他的姓，如果猜不出就要把她的孩子抱走。
(2)這裏實際是在說阿基米德的死亡。當時羅馬軍隊攻陷敘拉古城，衝進阿基米德的房間，那時候他正在做數學題，並且平靜地說：“讓我把這道題做完。”這時一個憤怒的羅馬士兵殺死了他，妖精所敘述的事情即發生在敘拉淪陷的前一夜。
(3)這實際上是一個悖論，無論從任何角度都無法解決。古希臘的很多哲學家們（當時哲學和物理學還沒有分開）都喜歡研究悖論，妖精一定吃過他們的虧。
(4)這是用來檢驗容器密封性能的簡易方法，利用手掌的溫度對容器加熱，將它放在水裏，看有沒有氣泡漏出來。
(5)二氧化矽的晶體結構是呈立體的蜂巢形狀的，每兩個矽原子間的共價鍵上接一個氧原子，不過嚴格說來，玻璃並不是由純淨的二氧化矽所組成的，而是包含了很多雜質。
(6)乙醚蒸氣在醫學上可以用作麻醉氣體，但是在這裏主要運用了它容易在低溫下汽化的特性。
(7)指《一千零一夜》中漁夫和魔鬼的故事，隻是一個普通漁夫就能把魔鬼騙回到瓶子裏去，那麽有人或許會問，麥克斯韋先生又何苦搞得這麽麻煩呢？我們隻能把這歸於物理學家探究事物的好奇心，以及……妖精純樸的天性。
(8)前一句話是熱力學第二定律的開爾文表述，即熱量不可能無條件地轉化為功，後一句話是克勞修斯表述，這兩種表述是完全等價的。“熵”是熱力學中用來描述物質內部無序程度的物理量，當冷熱氣體相互擴散後，熵會等於這兩種氣體各自熵的和。根據熱力學第二定律，熵應該是永遠增加的，因此擴散、生長、腐爛等等過程都不可逆。
(9)指氣體分子在不停地做劇烈的熱運動。
(10)這裏涉及文章題目的含義—“麥克斯韋妖”的概念。這是熱學史上一個相當有趣，並引起很多爭論的話題，最初是由麥克斯韋本人提出的。熱力學第二定律表明，熱能不可能無條件地從低溫物體轉向高溫物體，在這個過程中必然要發生能量的損耗，但是麥克斯韋提出，如果存在一種形態微小，手腳靈巧的“妖精”，在一個封閉的係統中掌管兩道門，讓分子運動速度較快的進入一側，而速度慢的進入另一側，就能通過分子的無規則運動使冷熱分開。利用這個原理，輪船就能在海上航行，利用海水中的熱能做功，將剩下的冰塊排出，而這實際上是違反熱力學第二定律的。這個假設雖然荒誕不經，卻引出了許多認真的討論，並得出有關於負熵及信息熵的概念，在此不做過多介紹，隻是想說明科學家們在研究看似嚴肅的物理問題時，也往往是保持著旺盛的幻想能力與童心的。
(11)指“麥克斯韋分布律”，這是由麥克斯韋得出的一個方程式，用來描述同一係統中，不同速率的分子的概率分布情況。或者也可以說，一個分子在速率無規則變化的過程中，處於不同速率的概率分布情況，兩者其實是等價的。
(12)這張照片是真實存在的，照片上有包括愛因斯坦在內的29位著名物理學家，可以稱作是“世上最強合影”。
(13)愛因斯坦最早提出狹義相對論的構想就是在16歲，他在一篇論文裏寫道：“如果能夠以光速前進，就能看到周圍存在著靜止的，同時又是振**的電磁波，這真是一個奇妙的矛盾。”而這一構想是根據麥克斯韋的光速不變理論而來的，最終他大膽推斷，既然無論以什麽樣的速度運動，所測量到的光速都是不變的，那麽隻能是時空本身發生了收縮。總之，現在就算是小學生也知道，妖精想要追上光速是不可能的。
(14)指薛定諤的貓，這是薛定諤在描述量子力學中的不確定性時，所提出的一個相當經典的比喻。如果將一隻貓放進一個封閉的盒子裏，裏麵有一個放射性的粒子，該粒子的衰變能夠開啟一個裝有劇毒物質的瓶子而殺死貓。因為在打開盒子實際觀測之前，粒子的衰變與否始終處於不確定的狀態，因此貓也就處於半死半活、既是死也是活的奇妙狀態，而觀測這一行為本身將導致係統本身發生擾動，最終決定貓的生死。
(15)指泡利不相容原理，泡利認為對於費米子而言，存在於同一個能級上的兩個電子一定自旋方向相反，這個原理似乎高中的化學課本裏麵有涉及。
(16)牛頓晚年時健康惡化，患有厭食、失眠等嚴重症狀，並且有間發性的受迫害狂想症，於1727年因病去世。