为落实单位GDP能耗在未来5年内降低20％的目标，我国开始了大规模的节能运动。本文认为我国的节能工作可能在几个方面存在误区，比如对能源的特殊性缺乏了解，节能政策的制定与实施缺少针对性，过分偏重产业部门而忽视其他非产业能源消费部门，过分强调产业结构的调整，而忽视整体结构，特别是消费结构的调整等。我国的节能工作需要明确理论基础，在市场化、工业化、城市化和国际化的大背景下，开展有效的工作。因s能源消耗既是一个物理现象又是一个经济活动，本文首先从物理学和经济学两方面对节能的理论基础作了探讨。从物理学的角度，本文通过对"信息不遵守热力学定律"这一被物理学界称为"麦克斯韦妖"的现象的分析，为节能工作提出了用"无限的信息替代有限的能源资源，尽量降低熵增率"s物理学理论依据。文章继而通过单元生产过程的"能源－信息－材料"三要素模型，单位GDP能耗变化分解方法等，从经济学的角度阐述了以信息代替能源，经济增长应从能源资源密集型的旧模式向信息知识密集型的新模式转变的原理，为我国 "以信息化带动工业化，走新型工业化道路"，通s单位GDP能耗的"隧道战略"赶上发达国家的战略设想提供了理论基础。最后，基于理论上的探讨和对中国节能实践的观察，本文为我国的节能工作提出了8个方面的建议。
随着资源能源紧缺压力加大，对经济社会发展的瓶颈制约日益突出，节能对于我国的能源安全、环境保护和经济社会的可持续发展都具有非常深远的意义，中国的节能问题成为从事中国能源研究专家学者们所必须关心的问题和责无旁贷的历史使命。
国家的"十一五"规划纲要将单位GDP能耗在未来5年内降低20％作为约束性目标，分解到各地区、各行业的经济活动中，作为综合评价和绩效考核的指标。全国性的大规模节能工作已经开始。我认为，在中国这么大的国家里开展这么大规模的节能工作需要明确理论基础，帮助我国在目前所面临的市场化、工业化、城市化、国际化的大背景下，更加有效地开展节能工作来实现"十一五"规划的目标以及更长期的建设节约型社会的目标。本文愿在节能的理论基础上面作点抛砖引玉的探讨。
能源的消耗是一个经济社会活动，更是一个物理现象，要遵守热力学定律。它是一个同时受经济学和物理学约束的人类活动。节能工作首先要明白什么是能源，充分了解能源的特殊性，把握物理学对任一能源消耗活动所允许的节能范围，还要了解经济学中影响能耗的各种因素。
一、搞清能源概念
做好节能工作首先要明白什么是能源。这并不是所有人甚至是从事能源工作的人都能正确理解的。1973年第一次能源危机发生时，法国能源部长在电视上高调阐述法国如何应对能源危机，但是当记者问他什么是能源时，这位部长竟然不知道怎么回答，只好狼狈地顾左右而言他。我们经常听到这样的说法："能源是人类社会生存和发展的重要物质基础"，"能源是经济的血液"，"能源是战略资源"，"能源是中国崛起的动力"，等等。这些强调能源重要性的提法并不能替代能源本身的定义。只有弄清楚了什么是能源，能源是如何消费的，影响能源消费的因素是什么，才能有效地做好节能工作。
首先，能源是一个物理学的概念，而能源消耗也是一种物理学现象。要明确区分和理解三个相关的概念：能，能量，能源。在英语词汇里，T三者为同一单词--Energy, 但实际上它们有不同的含义。物理学中的"能"指的是物体做功的能力，它包括动能、势能、热能、电能、核能、电磁波能、辐射能和化学能。其中，动能和势能属于机械能，是人类最早认识的能的形式，光能则属于辐射能；能量则是对上述各种能的计量，通常用T（1卡等于给一克水加热1℃所需要的能量）和焦耳（4.18焦耳等于1卡）来衡量；而对能源的解释目前大约有20多种不同的定义。世界能源大会(WEC)认为,"能源是使系统能够产生对外部活动的能力"，这一定义中的能源实际上指的是能，因为英文中能和能源用的是同一个词。《大英百科全书》的解释是："能源是一个包括所有燃料、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"，这一定义也并不非常准确。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。" 这与《科学技术百科全书》的定义比较接近："能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源"。我认为这两种定义比较准确。简单地说能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉，是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。
实践中人们从不同角度对能源进行了分类，如图1所示。其中一个非常重要的概念是能源服务，即我们消耗能源的目的是为了取得一种服务，如3一个物体进行加热或制冷，把它从一个地方移到另一个地方，对它进行切割加工，将一个房间照亮，等等。这些能源服务都需要通过技术设备对终端使用能源的转换来得到。
现代社会的能源服务主要被划分为三大类，包括将一件物品或一个人从A处移到B处的移动力、用于加热和制冷的热力和用于启动电子和电器设备的电力。每一类能源服务都有自己的特性:
（1）移动力主要是交通运输，它的特点是在户外的运动中消耗能源，如公路、铁路、水路、空中 线。燃料与技术的选择是相辅相成的，目前基本上以石油产品和相关技术为主。交通运输中能耗的高低主要取决于交通设备的技术，如汽车在制造完成之后再节能要比汽车设计制造过程中引入节能措施困难得多。交通基础设施的好坏，如路况，对能耗也起很大的作用。
（2）与移动力相反，热力大多都是在静止的系统中消费，如炉灶、锅炉等，并且消费大都发生在建筑物y。可产生热力的燃料选择比产生移动力的液体燃料更广，所有能源都可产生热力。
y3）电力则是整个能源消费系统的核心。电力的消费都必须通过电器和电子设备，其中电动机一项就占了很大的比例。电力的生产与消费系统性很强，需要网络运输，因不可大量储存而需要生产和消费实现实时平衡。所有可以转换为热能的燃料都可转化为电能，电能也可以不通过热能的中间形式来生产，如水电、太阳能光伏发电、燃料电池，等等。
针对上述三大能源服务洳煌特性应该有不同的节能战略和政策。
由能源服务衍生出来的另一个重要概念是溆媚茉础Ｋ指的是所提供的能源服务中真正用于满足需求目的的这部分能源，如，一个鸡蛋煮熟所需要的热能，1吨重的物体从一个地方移动到另一个地方所需要的动力，一张书桌被照亮到某一程度的光能。有用能源概念对于节能很有意义，比如说，为煮熟一个鸡蛋提供的能源服务是一大锅沸水，而这里的大部分能源消耗是没有必要的，因为真正用于煮熟鸡蛋所需的能源比实际消耗的要少得多。同样，如果使用交通通过平坦的道路把一个体重50公斤的人从甲地送到乙地，为什么需要驾驶2000公斤的SUV呢？然而，要准确地计量有用能源比较困难，因而在能源统计中，人们一般只能计算用于终端使用的能源，即被机器设备消费掉的能源。但是对于节能来说，有用能源这一概念非常重要，因为它可以使我们的技术设备在设计上更加精确，尽量减少不必要的消耗。我们可以按照有用能源的概念重新设计耗能设备，甚至反推整个能源供应系统的合理性。
二、能源的特殊性
节能还需要了解能源的特殊性。首先，能源不同于粮食或其他原材料，能源的消费都是通过技术设备来完成的，如电能通过灯泡或者电动机，油品通过内燃机等。这样，能源的 耗量就取决于技术设备的效率，而节能则和技术设备的更新紧密结合。一台机器一旦安装上，一个电厂一旦建成，一座新楼一旦入住，它们在生命周期内的能源使用效率就基本确定了。而耗能的设备与基础设施都具有"沉没成本"较高的特性，为了不错过节能的机会，有必要加快技术设备的 新换代，由此形成技术更新与"沉没成本"的矛盾。
其次，能源的供应要通过较长的 业链得以实现。它的投资周期长、成本高、具有刚性。能源投资对于价格与需求的反应有一定程度的滞后；另一方面，能源消费具有一定的惰性与"路径依赖"，不同能源消费部门对能源价格的敏感度按其消费密集度的高低会有很大的差别，且价格的变化不能在消费量上及时地得到反映。
第三，能源消费带来的污染具有强烈的外部性，污染给全社会造成损害。能源消费者支付修复这些损害所需要的成本，可以通过税收的形式在价格上得到体现。另外，能源的供应还在许多国家被视为公共服务，具有社会属性。
相对于节能，能源的特殊性反映了两个问题：一是节能措施大多是通过技术设备的更新才能实现的，而更新需要时间和成本；其次是能源价格问题。
能源价格不仅要反映生产成本，还要反映能源资源的稀缺性，能源使用的环境和社会成本，以及保障能源安全（如剩余生产能力）所需要的成本。在建设周期长的能源产-，价格反映长期的边际成本，使投资有利可图。生产成本还包括运输成本，以及其他相应设施的成本，例如保障煤矿工人安全所需要的投资。如果1升可口可乐的价格比1升汽油还贵，说明汽油的价格尚没有反映石油资源的稀缺性和使用的环境成本。
三、节能的物理学理论基础
从物理学的角度看，能可以从一种形式转换为另一种形式，但其总量既不能增加也不能减少，既不会无中生有，也不会自行消灭。这就是热力学第一定律，也叫做能量守恒定律。然而，能量的品位是有高低之分的。热力学第一定律只规定了能量转换的数量关系，并未指明转换的方向性。规定转换方向的是热力学的第二定律，它由克劳修斯和开尔文在1850～1851年间从不同的角度提出。这个定律有许多说法，但各种说法是彼此一致的。其中最通俗易龅乃捣ㄊ"不可能自发地由低温向高温传热。"针对于热机的一种说法是："热机不可能将单一热源传给工质的热全部转化为功（卡诺定律）。"有针对永动机的说法是："只做功而不消耗高品位能量的永动机是不可能制成的"。还有针对熵的说法："孤立系统中的熵只会增加，不会减少。"
针对热力学的第二定律的最著名的异议是英国物理学家麦克斯韦提出的。1867年麦克斯韦在他的《热能理论》一书中作了如下设想：在一个孤立绝缘恒温的容器里，用一个膜片把容器分成两个部分，在膜片上安装一个阀门，且放置一个能够见到单个分子的极小的生命体。这个精灵能够打开和关闭在膜片上的阀门，可以有选择地让速度快的分子进入一边，而让慢分子进入另一边て浣峁是快分子的一边温度增加，而慢分子的一边温度降低。这样，在没有外力的作用下，依靠具有灵敏观察力的小精灵使一个本来不能做功的系统做功，使该系统的熵值减少而不是增加。麦克斯韦的结论是，小精灵主要靠获取分子速度的信息运作阀门，而信息不遵守热力学定律，所以热ぱФ律在这种情况下无效。几代物理学家都试着证明麦克斯韦的设想是不能实现的，但却没有成功。他们干脆把这一设想叫做"麦克斯韦妖"（见附件图1），一直到1951年，法国物理学家布里渊（Leon Brillouin）将信息论与统计物理联系起来考虑，通过信息的负熵原理解答了这一难题。然而，他的信息等于负熵的理论却导致了后人将信息与能源混为一谈，忽略了信息的特殊性。
实际上，"麦克斯韦妖"的讨论为我们的节能工作开启了一道智慧之门。信息与实物交换的本质区别在于，实物交换减少给予方的拥有，而信息不同，可以使得双方共同拥有。所以我们可以得出以下结论：信息不属于物质世界，不遵守热力学定律。因为克劳修斯的熵增定律没有规定熵必须以多大的速度增加，那么我们可以利用信息不遵守热力学定律的这一特殊属性在热力学定律允许的范围内做许多事情，如尽量降低熵的增长速度，在生产和消费活动中实现信息对能源的替代。能源资源有限，而信息资源无限，可以利用无限的信息替代有限的能源资源。我们面临的问题兀经济增长需要资源消耗，资源消耗带来环境污染，环境污染又反过来影响生活质量和经济增长。如果一直在物质系统里寻找，很难找出解决问题的答案。节能的物理学基础就是在热力学定律允许的情况下以信息替代能源。
日常生活中不乏利用信息来降低能耗的案例。在驾车出行前参考地图标明线路，既可以少走弯路，也减少燃料消耗，而缺乏清晰的路标致使燃料消耗增加的现象十分常见。在房间里安装温控设备可以降低取暖能耗。信息与技术含量高的机器设备能耗低，效率高。工业生产流程从手工操作到机械化、半自动化再到自动化是一个不断增加信息的采集和处理的过程。在这一过程中，随着信息量的增加，产品的单位能耗会不断降低。信息和能源鎏娲关系可以通过图2表示。
图2 信息与能量在工业自动化过程中的替代关系
从人类发展的角度来看，人类工作的演变过程，包括从蓝领到白领的转变，实际上也是一个从提供能源到处理信息的过程。通过对劳动工具的不断改善，人类把自己的智慧逐步转变为生/力，利用越来越少的体力劳动创造越来越高的价值。从钻木取火的年代到农耕时代，从工业化时代到现在的信息时代，人类的工作不断地从体力劳动向脑力劳动转变，从通过双手对物体进行能源加工向通过大脑对符号进行信息处理转变（见图3）。
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四、节能的经济学理论基础
上述分析依据物理学的原理提出利用信息不遵守热力学定律的这一特殊属性在热力学定律允许的范围内尽量降低熵的增长速度，进而提出在生产和消费活动中实现信息对能源的替代的设想。那么，在经济学理论中，我们能否找到节能的理论依据呢？
1．单元生产过程的"能源－信息－材料"模型
经济学中有一个经济增长模型叫做KLEM模型，即产出是资本（K）、劳动（L）、能源（E）和材料（M）等投入的函数。因为劳动的主要目的是提供x源和信息，而资本（工具、机器）又是其他生产过程的产品，我们可以把这一模型进一步简化，应用到任何一个最基本的价值创造过程（单元生产活动）。我们发现这一过程实际上就是利用能源与信息对原材料进行加工，创造出满足需求的产品的一个过程，见图4。在这个过程中，我们创造了价值，同时也产生了废弃物。废弃物的一部分可能在其他生产过程里被再循环，剩余的部分被排入环境而导致环境污染。
比如说，制作一张木椅需要木材、木匠和工具，价值的创造是通过木匠所提供的最基本的输入，即能源与信息来实现的。这里工具不能被认为是一种最基本的输入，因为它是另一个生产过程的产物，也是使用材料、能源和信息所获得的产品。用同样的木材和同样的工具，一个经验丰富的木匠与年轻学徒做出来的椅子质量不同，售价也不同。而决定椅子价值的关键并不取决于他们肌肉所提供的能源，而在于他们的技能，也就是对做工过程中投入的信息的不同。
根据这个机制，为了降低自然资源和能源的消耗，并且使环境污染减到最小，我们需要增加信息的输入。价值创造过程可以通过提高能源的投入和信息的投入来取得。因为价值本身是非物质单位，所以可以通过提高非物质性的投入，即信息的投入，来增加价值。对于等量的价值，增加信息的投入可以降低能源的消耗，这就是我们通常所说的生产活动从能源密集型向信息密集型转变，从粗放型高耗能向集约型低耗能方向转变的过程。用无限的信息资±刺娲有限的能源资源也正是"用信息化带动工业化，走新型工业化道路"的理论基础。
值得注意的是信息可以被分为两大类：结构型信息和流动型信息。结构型信息包括知识、技能f操作程序、组织结构、体制和标准法规等，均是人的行为规范化的信息；而流动型信息指的是通过语言、教育、传媒等方式传播的信息。这两类信息对能源的替代有各自的方式，在此不作深入讨论。
2．单位GDP能耗变化理论
这就成为目前两种主流的节能方案：第一，通过产业结构调整降低高能耗低附加值产/在国民经济中所占的比例，即结构节能；第二，通过技术途径降低各产业部门的能源密度，即技术节能。
但是这种思路有很大的局限性：
首先，它只考虑了产业部门，而没有考虑到非产业部门（如消费部门）对一个国家单位GDP能耗的影响。一个国家的单位GDP能耗，是指当年消耗的所有能源除以该年的GDP总量，该国家的所有活动都会影响这一指标。因素包括国土面积的大小（例如国家大，活动路程就长，日本和欧洲的单位能耗比美国低，就与国土面积的大小有关），资源禀赋、气候环境（气候寒冷的国家能源消耗高）、产业结构、消费结构、购买力水平、技术结构、能源供应结构、生活习惯、人居设施与组织、能源价格、管理体制等。这些影响因素提醒我们，不能不考虑国情差别而简单地将单位GDP能耗进行国际比较。
对于一个国家来说，过分依靠产业结构调整降低单位GDP能耗是不现实的。一个国家的产业结构是全球劳动分工的结果，同样，一个省市的产业结构是全国分工的结果。中国利用自己的人力、技术、教育、资源优势变成了世界的制造中心，使我国的制造业在国民经济中占了很重要的位置。我们若要把制造业拱手让给别人而从事软件开发，行得通吗？另外，产业结构调整需要漫长的时间，难在短期内取得效果。
其次，单位GDP能耗的分解是按照GDP的生产来源进行分解（大产业创造的附加值），而不是按照能源的主要消耗领域来分解，这就使我们的注意力不能集中到能源的主要消耗部门来采取行动。
其三，强调产业调整和技术节能使得大多数的能源消费者认为节能降耗的工作是政府宏观决策的事，与普通老百姓无关，而实际上，节能降耗的工作需要所有的人都作出努力。
如果从能源消费的角度来分解，不光考虑产业部门，而是考虑所有的能源消费部门，包括家庭消费、服务业、客运交通、货运交通、制造业和其他产>等，那么，从全社会能源消费的角度分析，我们可以用以下新的公式来计算推导GDP单位能耗的变化。
通过这一新的公式表达可以看出，降低单位GDP能耗起码有3种途径：（1）降低单位GDP的部门活动密度，如降低家庭消费、 低客运量、降低制造业产值等；（2）调整部门活动的结构，如少用私家车客运而多用公交车客运、降低制造业中高能耗产业的比例等；（3）降低经济活动的单位能耗，如客运部门中私家车的人公里能耗、货运部门卡车运输的吨公里能耗、制造业中水泥生产的单位能耗等。
就是说降低单位GDP的能耗起码需要从三个方面着手。第一个方面就是降低单位GDP的活动力度。第二个是在所有的部门，包括消费部门、交通部门、制造业部门，都要进行结构调整，推动产业结构调整。第三个还是技术节能，降低单位活动量的能耗。
因为
而一个国家的活动量 （Ai），是按照人均的活动量乘以人口的，所以我们在这个地方引入"以人为本"的概念。我觉得要改变以产业结构调整为主导，变成以总体经济结构调整来达到节能减排的目的。
从公式（1）到公式（3），最重要的信息是：降低单位GDP能耗不能仅仅注重产业而忽视国民经济的其他部门，不能只强调产业结构调整，而是要注意整体经济结构，特别是消费结构的调整。
消费结构的调整从长期来说对于降低单位GDP能耗非常重要。如果说中国的产业结构在很大程度上是国际劳动分工的结果，不只是中国一个国家能决定的事情，那么转变消费模式是我们每一个中国s都力所能及的事情，是中国本身可以办到的。当中国的经济增长方式正在从出口驱动型向内需拉动型转变时，引导节能型的消费方式对我国的节能尤为重要。在强化提倡中国人的传统节俭美德的同时，国家要给每个消费者一个明确的价格信号。
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3．GDP能源密度的钟形曲线理论
西方国家的发展经验表明，单位GDP能耗相对于人均GDP通常遵循一条钟形曲线，如图5所示。这条曲线可以被比做一座I山，为了发展经济提高收入水平，一个国家必须 "登山"。发达国家目前已经在登山后的下坡端，而大多数发展中国家仍然在上坡端艰难攀登，正在经历着一种能源更为密集的发展模式，我们可以将之比喻为"愚公爬山"。中国面临的挑战就是要避免走这一条老路，不能等经济发展到一定程度之后才降低单位GDP能耗。实现的路径是改"愚公爬山"为"智叟穿山"，跳跃传统的工业化发展模式，走新型工业化道路，探索从能源资源密集转向信息密集的发展模式。这相当于在单位GDP能耗的山上打一条隧道，增加人均GDP而不增加单位GDP能耗，直接通到山坡的另一端。这正是我国现代裙程中应该采用的"隧道战略"：走信息化和工业化结合的道路，一步跨入知识经济社会。
五、 结论与建议
综合本文的分析，再根据本人对我国几年来节能工T的观察，我国的节能工作在以下几个方面存在一些问题：
首先是对能源的理解。并T是所有从事能源研究的人都明白什么是能源，什么是"能源服务"，什么是"有用能源"，以及能源的特殊性。对能源的特殊性缺乏了解会导致节能政策的制定缺少针对性，影响节能潜力评估及目标选择的现实可取性。
其次，忽略决定一个国家单位GDP能耗的多种因素，盲目进行国与国之间的对比，并以此来确定节能潜力，如通过中日比较发现中国的单位GDP能耗是日本的8倍y因而得出相应的节能潜力的结论。
第三，因为我们习惯于搞工程建设，节能工作大y亦采用抓工程的形式统领实践，而节约能源与工程建设是性质截然不同的。
第四，y们的节能工作可能过分地基于免费节能的幻想，过分重视消费者的自觉行动，忽视了经济激励因素的作用。另外，对实现节能目标所需要的成本不够重视，没作细致的研究。
最后，降低单位GDP能耗在理论上还存在一个较大的误区，过分偏重产业部门和产业结构调整。
要做好我国的节能工作，我认为要注意以下几点：
首先要走出理论误区，从单纯重视产业部门和产业结构调整到重视所有能源消费部门的整体结构优化，特别是消费结构的调整。要抓住我国经济增长从出口驱动型向内需拉动型转变的历史契机，引导节能型的消费模式。
其次要从节能的"工程意识"转变到"全社会的系统意识"，避免通过相互独立的工程形式节能所造成的"顾此失彼"。
第三要进一步理解什么是能源，为什么要消耗能源，能绞窃跹消耗的，能源有什么样的特殊性。充分理解"有用能源"的概念，并用它来重新设计耗能设备与系统，反推整个能源系统的合理性，实现能源的梯级利用。
第四，重视能源消耗与技术设备的紧密关系以及技术设备更新换代对节能的重要性，鼓励技术更新换代。应以节能为契机进行生产流程的现代化，提高生产率、产品质量和竞争力。
第五，要针对热力、电力和交通运输移动力这三大不同的能源服务，采取不同的节能手段。同时利用各大能源服务在E部门、跨行业中的共性，在全国推广最有效的节能手段，实现规模效应。
第六，要E意节能的经济成本，在经济效益和能源效率上找到平衡点，把节能工作与企业和个人经济利益结合在一起，利用经济驱动力实现节能目标。
第七，要充分发挥价格杠杆和经济激励因素的作用，把中国人传统的节俭美德与精打细算相结合，用经济账算节能效益。另外，任何工业产品都包含着其生产过程中的能源消耗，节能工作也要重视这种非直接的能源消费模式。
最后，明确节能的理论基础，在生产活动中大规模地实现信息对能源的代替，走信息化带动<业化，以信息与技术密集型发展替代能源与资源密集型发展，实现全新的发展模式。
附件：麦克斯韦妖介绍①
詹姆斯·麦克斯韦在物理学的多个领域都有卓越的贡献，也是有史以来最伟大的物理学家之一。他对热力学、分子运动论、统计力学，特别是对电磁学的发展功不可没。他所假想的"麦克斯韦妖"是探索从无序到有序道路的又一著名尝试。
1831年6月13日，麦克斯韦出生于苏格兰的一个贵族家庭，但到他父亲时，已经相当贫穷了。他父亲是一位学识渊博、富有创造精神的机械师，能满足童年时代麦克斯韦那无止境的好奇心。对于n子提出的各种各样的问题，父亲总是有问必答的。但是，父亲的解答渐渐地满足不了儿子一颗童心对知识的渴望，于是就带他去爱丁堡皇家学会去听科学讲座。
麦克斯韦9岁时，母亲不幸去世。失去母爱使他变得性格内向、孤僻，但他头脑极聪明，很快就学完了小学的课程。10岁时，父亲就让他上了中学。在学校里，他思维能力超群，但语言表达却有点操之过急，说话速e很快又带有浓厚的方言，为此常受到同学的嘲笑。加上他穿的衣服大都是父亲自己制作的，不合上流社会的时尚，使他在学校里成了"丑小鸭"。但是，麦克斯韦在才智方面却是一只"白天鹅"。有一次，学校里举行数学和诗歌两项比赛，两个项目的最高奖居然都属于他一个人，这表明他不仅e数理方面才智出众，而且艺术创造力也很突出。这个结果，连老师也感到出乎意料。从此，人们不得不对他刮目相看了。
惊人的才智来源于对科学和艺术深挚的热爱和勤奋钻研。麦克斯韦小时候就善于用数学的眼光观察世界，他所画的写生画总是爱把自然界的物体描绘成几何图形，从它们的规则、对称中展示自然的和谐。中学还没有毕业，他就完成了第一篇数学论文--提出了一种椭圆的画法。他父亲带他到皇家学会去报告这篇论文，开始，人们还以为是他父亲作报告，但登台演讲的竟是一个孩子，遂报以热烈的掌声。1847年，16岁的麦克斯韦入爱丁堡大学学习。这时他的书包里还时常带着自制的玩具陀螺和自己的诗集。但他上课全神贯注，思维敏锐。有岽危他发现一位教师讲课时使用的公式有错误，就把问题指出来。这位教师起初很自信地表示："如果是你对了，我就叫他'麦氏公式'!"想不到课后反复验证的结果，的确是学生说对了。如今，物理学中麦氏公式、麦式方程已经不止一个，而是有很多个了，其中，在气体分子运动论中的关于气体分子速度分布的公式就很有名，这就是人们常说的麦克斯韦分布。这是他纠正了克劳修斯关于气体分子速度公式错误的结果。克劳修斯曾断言，一定温度下气体分子的平均速度是相等的。麦克斯韦运用统计力学方法证明，分子的速度不是相等的，处于"最可几"速度附近的分子数占的比谧畲螅小于这个速度的分子数比例很快减少；而具有较高速度的分子总是有相当比例的，当然，速度特别大的分子也是很少的。
美国现代物理学家费因曼称麦克斯韦是"第一个发现经典物理学定律有错误的人"。他在量子论诞生之前40年，就发现了经典物理学的困难，并用自己建立的理论，在经典物理学和量子论、相对论之间建立了一座桥梁。
他同波尔兹曼一样，是最早对热力学第二定律提出质疑的人之一。
1871年，麦克斯韦在《热的理论》一书末尾，提出了对热力学第二定律使用的条件限制。他提出的一个假想实验物和一个思想实验，表明可能出现违背热力学第二定律的变化过程。这就是有名的"麦克斯韦妖"或麦克斯韦"精灵"。他说：
"热力学中最为确凿不移的事实之一是：如果一个封闭在既不允许体积变化又不允许热量流通的屏障内的系统，其中的温度和压强又处处相等的话，那么，在不消耗功的情况下产生的任何温度或压强的不均等是不可能的。这就是热力学第二定律。当我们能够处理的只是e块的物体无法看出或处理借以构成物体的分离的分子时，这无疑是正确的"。
什么是"妖"?这就是："如果我们设想有某个存在物，它的才能如此突出，以至可以在每个分子的行程中追踪每个分子，它的属性仍然如我们自身的属性一样基本上是有限的，但是这样一个存在物能做到现在对我们说来是不可能做的事。我们知道，在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运撬俣染不均匀，尽管任意选取的任何大量分子的平均速度几乎完全一样。现在让我们假定这样一个容器分成两部分A和B，在分界上有一个小孔，再设想能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B。而慢分子从B跑向A。这样，它就在不消耗功的情况下，使B物的温度升高，A的温度降低，而与热力学第二定律发生矛盾。"
"麦克斯韦妖"示耐悸罂怂刮ど柘氲挠醒≡窨刂颇芰Φ"精灵"必须是有生命的物质。而有生命的物质就不再是孤立的封闭系统。这表明热力学第二定律的应用是有条件的。开耳文在叙述热力学第二定律时，也曾经指出动物体并不像一架热机一样工作，热力学第二定律只适用于无生命物质。对于麦克斯韦妖，钠缆鬯担
"妖的含义，根据麦克斯韦对这个词的用法，是一个有理智的存在物，它具有自由意志和非常灵敏的触觉，以及感知的机构，使他能去观察和影响物质的各个分子……麦克斯韦妖与真实动物之间的不同，只在于它是极小的和极其灵敏的。"
他认为，这种"妖"是具有原子尺度的有智力的生命体，它能明察秋毫，分辨出哪个分子的速度大，哪个分子的速度小，并不失时机地控制它们，这就不可能是非生命体。
20世纪初，波兰物理学家斯莫卢霍夫斯基进一步论证了麦克斯韦妖，认为它不可能只是个简单的自动装置，而必须是有智力的存在物，以便能不断地从分子获得信息。它要发挥作用，就必须和分子系统发生联系，这样一来，整个热力学系统就不再是孤立的封闭系统。这时气体的熵减小，并不违背熵增加原理，因为它的熵局部减小是以麦克斯韦妖的熵增加为代价的。
但是，麦克斯韦妖毕竟提出了一个十分深刻的问题，它涉及物理学、化学、生物学、社会学中的有序组织问题。对于具有选择性的开放系统，热力学第二定律要加以发展，所以控制论的创始人维纳说得好，如果简单地否定麦克斯韦妖，"我们可能要失去一个难得的机会，来学习关于熵和它在物理上、化学上、生物学上可能的系统的知识"。
1929年，物理学家齐拉德分析了有智力的存在物。这个存在物必须有某种记忆能力，这种记忆能引起熵的连续减小。化学上的半透膜就是这种能选择分子使其定向穿过的"分子筛"。比如在海水中只允许水分子通过而不允许盐分子通过，就能使含盐的海水淡化。但是，任何导致熵减小的行为都必须紧随在一个获得信息的操作之后，而这种操作往往产生大量的熵。
1951年，法国物理学家布里渊进一步从数学上证明，任何一个有智力的存在物，不论其尺度大小如何，在它使体系的熵减小一点之前，必须先使体系的熵增加。麦克斯韦妖必须先获得信息，并根据获得的有关分子的信息才能实施控制动作。信息就是负熵。信息必须通过某种物理过程来传递，例如通过电磁辐射来传递。一个处于严格平衡状态下的系统，系统内发出的辐射也必须和器壁达到热平衡态，辐射必须是各向同性的。麦克斯韦妖置身其间，也必然处于同样的群馓下。根据量子力学的测不准关系，它无法同时得到有关分子坐标和动量的任何信息，于是它就无法工作。为了能识别分子，必须用光照亮分子，这就会使系统的熵增加。这意味着，为了获得分子的有关信息，从而作出选择，必须以系统更大的熵增加为代价。计算表明，这种熵增加值大嚷罂怂刮ぱ使系统熵减小的值。因此，即使考虑到麦克斯韦妖可能使热力学系熵减小的作用，系统总的熵还是增加的，因此并不违反热力学第二定律。
