物理雙月刊 6月號/2020 42卷 第3期

假設有一個惡魔 (demon) 可以看守在那個相連的洞旁。當有氣體分子飛向那個小洞時,惡魔便會判定氣體分子的速度。牠只讓速度較慢,也就是溫度較低的氣體分子進入左邊,而讓速度較快,也就是溫度較高的氣 體分子進入右邊箱子。經過很長一段時間後,左邊的箱子內的氣體溫度就會變得比較低,而右邊箱子內的氣體則呈現較高的溫度。這明顯的違反了熱力學第二定律 - 系統不能在沒有外界的作用下,自發地將熱由低溫傳到高溫處。馬克士威這個想像實驗,引發了許多人想透過這樣的方式製造第二類永動機。包含使用棘輪或是兩個彈力常數不一樣的大的單向開啟彈簧蓋,來取代這個想像中的惡魔。但是沒有任何一個人能夠成功。其主要的因素在於 : 惡魔要取得分子速度的資訊是需要能量的。因此惡魔不能自外於系統。在分辨分子速度的同時,也因為需要取得能量 ( 可由氣體分子提供 ),而造成氣體分子的減速;或者因為本身的溫度較高 ( 來自於先前的升溫 ),使得氣體分子被加速而失去將氣體分成冷熱兩端的能力。這個想像實驗也啟發了資訊熵的概念。在實驗中一開始兩個箱子中的等溫氣體是處於一個較高的熵態。如果在馬克士威爾惡魔良好的工作下,會使得左冷右熱的狀態變成一個較低的熵
態。這樣整體宇宙熵就會減小,違反了熱力學第二定律。但是如果考慮馬克士威爾惡魔因為運作的需要所增加之熵,則整體的宇宙熵便會增大。由於這個惡魔增加的熵是來自於判斷分子運動的資訊,因此這個物理熵可能與資訊熵有關。直到 1948 年,夏儂 (Claude Elwood Shannon) 發表了一個標誌性的文章 - 通訊的數學理論 (A Mathematical Theoryof Communication),將熱力學中的物理熵跟通訊的資訊熵連結在一起。開啟了另一個通
訊保密的新領域。仔細看本期的封面與封底,大家是否發現那個看守洞口的馬克士威爾小惡魔呢?

時序來到六月,COVID-19 的疫情持續在世界各國散佈延燒。科學家們除了不斷的尋求解藥與疫苗外,也希望能預測疫情何時能夠消停。在暫時沒有良好的治療方法下,減少與阻斷病毒的散佈成為目前唯一有效的公衛方法。因此建立病毒的傳播模型並依此來控制疫情的蔓延便成了重要的防衛工具。過去在許多非線性動力學的物理課本中,就有許多模型相當適合分析病毒傳播。除了病毒的傳播外,非線性與非平衡的統計物理
學也在許多的領域扮演了重要的角色。由於其背後的理論牽涉到大量的統計結果、交互作用、與疊代關係。因此適合應用在資訊理論、經濟活動、動物的群體運動行為、與電路的雜訊擾動等複雜系統。本期的內容從馬克士威爾惡魔出發, 探討最新非平衡統計與主動物質。內容涵蓋為什麼鳥群、細菌甚至無生命的液晶會有集體的運動行為;如何操控微觀的布朗運動粒子從事熱力學狀態的研究;以及探討電路系統中的非平衡擾動熱力學。希望各位讀者能夠享受本期的內容!

03總編輯的話

05看破一切的兆赫波鬼影成像
07Sir!我們用南部力學模擬傳染病吧!
11利用電子電路系統探索擾動熱力學物理

25非平衡統計物理近年來的進展 - 對布朗粒子體系的操控

35從鳥群與細菌群開始:無序、有序、漲落、穩定與不穩定
- Active soft matter

47叫我斯克沃多夫斯卡 – 居禮:( 上 ) 從華沙到巴黎
55叫我斯克沃多夫斯卡 – 居禮:( 下 ) 我們全家都得過諾貝爾獎
63通識美味 美食:科學與人文間的絕佳媒介貝爾物理獎 1943 73發現自然之美 諾年: 奧托·斯特恩
76發現自然之美 諾貝爾物理獎 1944 年:艾薩克 · 拉比
79巨觀與微觀之間 非平衡的多尺度模型

「物理雙月刊」定位為物理的科普雜誌，希望可以透過國內物理各領域專家學者為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識，並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。