麦克斯韦妖给你的笔记本电脑散热？

使用笔记本电脑的朋友一定都感觉得热，冬天把手放键盘上还挺暖和的。市面上还有专门给笔记本使用的架子，把笔记本架空，改善散热效率。至于英语把笔记本叫做“膝面电脑”（Laptop），以对桌面电脑（Desktop PC），就更加理想化了——事实上，这么烫的东西放在膝盖上最多不超过三分钟就受不了了，系统比较慢的三分钟还不够开机……。

计算机的散热问题一直是一个老大难。电脑里面很多元件都会很烫，拆过电脑的就知道，最烫的地方都是硬盘和芯片——信息处理的中心。芯片之所以发热，是因为信息处理的物理实现是不可逆过程，根据热力学第二定律，就要产生一定的热量。热力学的表述有很多种，全都听着令人沮丧。在历史上同样讨厌第二定律的著名历史学家是麦克斯韦（James Clerk Maxwell），为了给第二定律找茬儿，他在1867年提出了一种情况：

一个装有气体的封闭绝热容器中间有一个档板把容器分成A、B左右两室。档板原本是打开的，于是整个容器达到了平衡。假如有一个小精灵操纵档版在旁边看着这些气体分子，把其中跑得快的放到左边去，跑得慢的放到右边去，这档板是理想的，没有磨擦，于是这小精灵尽管来来回回地忙活但是做功为零。这样的话，最终体系就变成一边冷一边热了。

这个思想实验最先是在麦克斯韦的书《Theory of Heat》的末章Limitation of the Second Law of Thermodynamics。后来威廉·汤姆森（就是开尔文爵士）把这个小精灵称作“麦克斯韦妖”（Maxwell’s Demon）。按照麦克斯韦妖的能力，它也可以把混匀了的化合物重新分成纯物质而不作功，把膨胀了的气体重新压缩而不做功……任何一个例子都足以推翻热力学第二定律。

只要热力学第二定律失效，我们就有望不用做功来维持低熵有序，就有望设计出不用能耗，不生热的计算机来。我们真能请麦克斯韦妖来给我们的笔记本电脑散热吗？

1929年L. Szilard在发表了一篇著名的反驳麦克斯韦妖的文章（Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei, 1929, 53, 840-856. DOI: 10.1007/BF01341281）。他认为，麦克斯韦妖必须通过某种形式的测量才能知道哪个分子跑得快，哪个分子跑得慢。这个测量的过程，以及信息的获得，必然要导致熵增。所以，容器内的气体自动变成一边冷一边热的过程的熵降，都被麦克斯韦妖不断操心的熵增给抵消掉了。

标题的英语翻译是：On the entropy reduction in a thermodynamic system with intelligent beings interference（论智慧生物干扰下的熵减体系）

这说明，“操心”也属于做功的一种！麦克斯韦妖纯操心也要出汗，要生热的，所以，请麦克斯韦妖来给笔记本散热的主意基本上没戏。

关于这个问题，计算机巨头IBM也没少操心过（熵也增了不少），1961年，IBM的研究人员Rolf Landauer在IBM Journal of Research and Development发表了一篇文章，证明了每比特信息的不可逆操作最少要增加大小为kBln2的熵，其中kB是玻尔兹曼常数。很多信息处理都是不可逆操作，比如对两比特的异或操作，因为只有一比特的输出，这一过程损失了一个自由度，因此是不可逆的。这就让大家兴奋了——如果把信息的逻辑处理都改成可逆过程，就可以达到无熵增的信息处理（或者说信息熵为零）呢？很多逻辑处理都可以设计成可逆的，1972年，IBM的另一个研究员Bennett甚至证明了所有计算都能找到一个可逆的逻辑路径。因此，科学家就开始研究“可逆计算”（reversible computing)。1980年Paul Benioff发现可以利用量子相干性进行计算之后，科学家的注意力又转移到了“量子计算机”（quantum computing）上，一直火到现在。

R. Landauer的1961年文章（IBM J. Res. Dev., 1961, 5, 183）

不过，所谓“可逆计算”，其前提总是隔离环境，即孤立系统。而事实上根本没有什么系统是孤立的。同时，正如我们使用Word的时候点“还原”操作一样，可逆计算是以占据内存空间为代价的。所以，量子计算机的研究很长一段时间来都是理想国度的游戏。尽管R. Landauer的“不可逆的kBln2”发现导致了量子计算机研究，被称为量子计算机之父，他本人生前却一直不遗余力地批评量子计算机研究。他认为所有量子计算机研究的论文都应该加上如下脚注：

This proposal, like all proposals for quantum computation, relies on speculative technology, does not in its current form take into account all possible sources of noise, unreliability and manufacturing error, and probably will not work.

这篇文章的研究正如所有量子计算的文章一样，没有考虑各种可能的噪音源，没有考虑实际生产的误差和缺陷，因此基本上没戏。

但是，Landauer的批评总是同时附带着建设性的建议，所以尽管表面上是一个量子计算研究的批评者，实际上却及时提醒了沉迷于具体问是研究者们什么根本性问题正悬在他们的脑袋上，因此大大刺激和促进了量子计算研究的完善和发展，是当之无愧的量子计算机之父。

Thiele和Kofler——熔点测定的两个名字

在化学中用人名来命名的东西太多了，光反应式就有厚厚的一本“人名反应”，包括各种规则、重排。在实验仪器上，也充斥着各种名字。在熔点测定方面就有两个名字Thiele和Kofler。

Thiele管

这种管子学化学的同学都应该了解，大学有机化学实验的“毛细管法测熔点”基本上是用Thiele管来做的。Thiele管并不一定是J. Thiele发明的，只不过是他首先在期刊中介绍了这种管子，所以后来大家就都叫Thiele管。Johannes Thiele的小豆腐块在1907年作为Mitteilungen（小通讯？）发表在Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft（Ber., 1907, 40, 996-997. DOI: 10.1002/cber.190704001148），题为：Ein neuer Apparat zur Schmelzpunktsbestimmung（一种熔点测定用的新装置）。

测量之前，要把样品粉末装到一个封了底的毛细管里（所以只需要很少的一点样品），然后把毛细管和温度记绑起来，插到装有加热介质的Thiele管里面。加热介质可以是油或者硫酸。由于Thiele管的b形设计，加热管的底端会使管里的液体自动绕着管子产生对流，使得管内的加热介质不用机械搅拌也能达到传热均匀。

说起这个Johannes Thiele，他还是一位不赖的化学家。比如，他发现了酮和环戊二烯反应生成各种富烯衍生物（Ber., 1900, 33, 666-673. DOI: 10.1002/cber.190003301113. “Ueber Ketonreactionen bei dem Cyclopentadiën”）。他还是1927年诺贝尔化学奖得主H. Wieland的博导呢。1918年他去世之后Zeitschrift für Angewandte Chemie（就是现在的Angew. Chem.）还刊登了一篇讣告。1927年，还是在Ber.这个期刊上刊登了关于他生平和学术的详细传记。

Kofler热台显微镜

1926年Ludwig Kofler担任University of Innsbruck的药剂学系的教授。他主要兴趣是拿显微镜来研究天然产物和合成药物，最终他捣鼓出了一个热台显微镜（Koflersches Thermomikroskop），可以边加热边观察。利用热台显微镜，可以只挑取很小的一粒样品，然后在显微镜下观察它的熔化并确定熔点。Kofler发明了这个显微镜之后，一时间他的系里发表了很多关于熔点的文章。

他还发明了个叫作Koflersche Heizbank（Kofler’s Hot Bar）的东西，但我不知道怎么用。

1951年Kofler去世的时候，Microchimica Acta为他刊登了一个讣告。

新奇士柠檬的酸碱史

“Whatever you do, be enthusiastic about it.”

–Arnold O. Beckman

新奇士的问题

新奇士（Sunkist）大家都熟悉——不就进口水果儿和罐装果汁儿么！它的最大卖点就是“加州阳光”。大家就知道“这东西”在美国的加利福尼亚州。

新奇士成立于1893年，起初名字叫Southern California Fruit Exchange（南加州水果交易/供销社？），主要是卖柑橘的（英语叫citrus）。之后它在洛杉矶有了自己的果园，自产自销了。到了1905年，这交易所占据了加州所有柑橘市场，拥有5000个员工。于是它把名字中的“南”字去掉了，直接叫California Fruit Growers Exchange（加州水果种植和交易所）三年之后就换成了现在的“Sunkist”——新奇士，这是世界上第一个水果品牌。

二十世纪三十年代，已经是水果巨头的新奇士遇到了一个难题。当时质量不太好的柠檬产品是拿去榨汁，作为果冻、柠檬酸或其他副产品的原料。而这些副产品的生产过程对原料的酸度比较敏感，不同酸度的原料就要必须采用不同的处理流程。于是，测试原料柠檬汁的酸度就成为了柠檬副产品生产的关键一步。在当时，主要使用简单的石蕊试纸来粗略测试酸度，如果精确要求的话，则使用氢电极。但这对于柠檬汁原料完全没有效，因为柠檬汁里为了防腐而加入的二氧化硫会使石蕊试纸和氢电极失效。另一个方法是采用玻璃电极，玻璃电极不受柠檬汁里的二氧化硫影响，但是它产生的电流信号非常微弱，不得不采用高灵敏度的检流计。而这样的检流计非常害怕震动，在机器轰鸣的厂区是基本上没戏的。再者，玻璃电极的外壁很薄，经常搞坏。在当时的化学实验室里，像这样的电子仪器，都是采用原始的导线用手工把元件接起来的，就跟现在的中学物理实验一样，加上那时候的电子元件都很巨大，所一个这样的电极酸度计要占很大的地方。种种困难使得新奇士在测量酸度上面几乎没有什么可行的方法。

当时在新奇士任化学研究员的Glen Joseph求助于他以前的大学同学，当时在加州理工学院当副教授的Arnold O. Beckman。

A. Beckman的酸度计

A. Beckman当时是加州理工的副教授，但他还有一个副业，那就是做一个面对企业的“科学顾问”。当时加州理工的头儿R. Millikan还经常把找上门来的主顾介绍给Beckman，于是Beckman作为解决生产问题的高手也是名声在外。这回Beckman也没有让新奇士的老同学失望。他曾经在著名的贝尔实验室的前身——西方电子（Western Electric）的工程部——工作过，捣鼓过当时兴起的真空管研究。真空管是最早的放大器。于是，他就把真空管应用在了酸度计之中，不是一个，而是两个！有了真空管的放大作用，玻璃电极的外壁也可以厚一点，不用担心信号微弱；检流计的灵敏度也可以低一些，不用害怕机械震动。更革命性的是，Beckman把整个电路装在了一个小箱子里，箱子外面有一个操作面板，上面有控制器和pH值读数，箱子侧面还有个小门，里面藏着测试电极。玻璃电极是很灵敏和脆弱的，平时电极藏在箱子里可以避免灰尘又防止损坏。这种人机界面（human-machine interface）的理念在当时可以说是一种革新——把所有技术细节都藏在箱子里，使用者只要在面板上进行控制，就能直接在面板上读到结果。

这个便携式酸度计被Joseph带回新奇士厂子之后，还是令Joseph沮丧——因为大家都争着借来用，他自己整天用不上！！

Beckman其实早两年和几个同事一起办了一个公司，名堂还不小，叫National Technical Laboratories（NTL），主要是为了推广他发明的不结块墨水。但由于他的解决方案是加正丁酸——臭脚味儿的主要成份，因此没有获得成功。这次他把他发明的酸度计放到了NTL卖，一架卖195美元，大概相当于一个初级教授的月薪。而按照当时化学实验室的常规办法——手工接电子元件，不仅占地很大，调试费时，而且要花500美元。毫无疑问，Beckman这次发大财了。之后，他的公司直接改成了他的名字，现在的“美国贝克曼库尔特有限公司”已经是是国际科研仪器公司中的大牛了。这是他的中文官方网站：http://www.beckmancoulter.com.cn。

酸度计就是今天pH计的原型。pH值是溶液酸碱性质的重要量度概念，pH计广泛应用于企业和研究机构的化学实验室。一个物理量如果实验上很难测量，最终会被弃用，或者说转化成其他可以测量的物理量。各学科中有很大部分的公式的主要目的就是搞出一个可测量的物理量来。换句话说，发明一个精确、准确、简易的测量方法，等于给一个物理量赋予了生命。

美国崛起的功臣

A. Beckman的公司还发明或改良了紫外和红外光度计，并进一步贯彻集成化、便携和人机界面的理念。二战的时候他的红外光度计产品被军方用于盘尼西林、维生素A（增强士兵夜视能力）、飞机汽油和TNT炸药（搞化学的都应该知道红外光谱吧）。Beckman的发明的防震高灵敏电位器被用于雷达生产，其中关键的防震设计使得这种雷达能用于各种机动火炮作战单元中。Beckman还是第一个搞清楚导致空气污染的汽车尾气光反应的复杂体系，催生出了美国第一个空气污染控制条例，以及烟雾预警系统，这个也是首先在战场上很有用。Beckman的公司还为军队大规模生产由L. Pauling（就是大物理学家鲍林）发明的氧气计（右图）。大规模生产精密仪器在当时是一件极具挑战性的任务，但Beckman的NTL公司出色地完成了这个任务，奠定了Beckman的公司生产高级仪器的基础。

战后，NTL公司转民用，改成Beckman Instruments，开始卖生化检测仪器和离心机，大红大火一直到今天。但是另一个更加重要的一件事是，1956年W. Shockley出钱成立了一个半导体实验室Shockley Semiconductor Laboratory，作为Beckman仪器公司的一个分公司。因为Shockley的妈妈住在加州的Palo Alto，年纪大了需要人照顾，所以孝子Shockley就和加州的Beckman一起建公司，地址在离老人家不远的Mountain View，现在我们都把这地方叫做“硅谷”（Shockley是第一个用硅来代替锗的人），1957年，Shockley不干了，他手下的八个工程师自己又成立了另一个半导体公司Fairchild Semiconductor(飞兆半导体，http://www.fairchildsemi.com/cn/）。这家公司其中两个员工：R. Noyce和G. Moore后来创办了英特尔公司。这些都是后话了。可以说Beckman是整个现代仪器工业的先驱，其地位不亚于爱迪生。

A. Beckman是个慈善家，他和他老婆Mabel联名成立了Arnold and Mabel Beckman Foundation专门资助非商业的基础研究。也许比较少人知道Beckman弹钢琴很有一手。高中的时候他成立了一个舞蹈乐团(左图），还不时为当时的无声电影伴奏来赚取零用钱。

A. Beckman在2004年5月18日去世。他生于1900年4月10号。因此2000年的4月10号是他的100岁生日，美国化学学会的Chemical & Engineering News当时就刊登了一篇他的传记，有权限的朋友可以点开来看一下。（Chem. Eng. News, 2000, 78, 17-20）。