一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

奇点天文提示:本文共2223个字,预计阅读时间需要6分钟。

一位伟人曾说过,“技术”是最重要的生产力,它不仅能够推动文化的发展、给文明发展指明方向,同时也是人类改造物质世界的力量。

现实确实如此,在人类文明近万年的发展过程中,科学技术绝对称得上是第一推动力,在整个文明进程中占据了重要的主导地位。

比如古代技术的出现,让人类摆脱了茹毛饮血的生活方式,进入了自给自足的农耕社会。而随着近代自然科学的出现,人类的文明发展又进入了新的阶段,生活质量和生活水平相比之前都有了质的飞跃。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

然而,随着文明的不断发展、对世界探索程度的逐渐加深,人类在科学的指引下找到发展方向的同时,也知道了一些颠覆以往认知甚至是让人心生绝望的事实,比如说让许多科学家表示宁愿不知道它存在的——“熵增定律”。

一个物理定律为什么会让人如此恐惧呢?它究竟隐藏着怎么样的秘密和绝望事实呢?要探究这些问题的答案,首先要知道什么是“熵(shāng)增定律”。

相比“熵增定律”这个有些拗口的名字,它的另一个名称——热力学第二定律就要显得简单和直观得多。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

这个定律的提出者是德国物理学家鲁道夫·克劳修斯,他在1850年发表的关于热的力学理论论文中,第一次明确指出了热力学第二定律的基本概念。

它既然叫做“热力学第二定律”,那么就离不开热量和力。所以在通常情况下,它被用于描述热量从高温热源向低温热源移动的过程。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

需要注意的是,这个传递的过程是不可逆的,同时还有一个非常重要的前提——在孤立的系统中。

在进一步思考之后,鲁道夫·克劳修斯在1855年引入了”熵“的概念。它是对系统混乱(无序)程度的度量。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

简单来说,孤立系统内越混乱,这个系统的熵就越高,它是不可逆且持续增加的,当其达到最大值时,系统就会走向永恒的灭亡。

可能许多人好奇,熵在什么情况下就算达到最大值了呢?通俗来说,就是系统内所有基础结构完全放飞自我,达到一种宏观平衡的时候。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

就像一辆公交车,当里面站满了乘客,并且每个乘客的脚都有自己的落点位置时,这就是一种宏观上的平衡。

再举一个便于理解的例子:在下雪的夜晚,封闭的操场上由于没人走动雪会越积越多,因为每一片雪花都会自发地落到地面,然后堆积起来平铺成非常平坦的一层。此时就是熵值最大的时候,因为达成了宏观平衡。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

或许有人会说,此时将操场上的雪全部清理出去,就不是将操场内的熵降低了吗,为什么还说它是一个不可以逆转的过程呢?

有这个疑惑说明你对熵增定律还没有真正理解。由于扫雪这个动作需要外界能量进行驱动,而在能量转换率不可能达到百分百,必然会产生额外的热量,额外的热量加上扫雪所做的功,其实是大于扫雪让操场减的熵,所以从操场这个孤立的系统中来看,它的熵值依旧是增加了,并没有因为雪的减少而减少。

当然了, 如果你觉得这有些晦涩难懂也没关系,这是十分正常的情况,因为许多科学家在最开始都对此感到难以理解,甚至有科学家还专门设计了一些实验,试图证明这个难以理解的定律是错误的。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

1871年,被誉为“现代物理学先声”的物理巨匠麦克斯韦,为了证明熵增定律只有在某些限定条件下才能成立,从而设想了一个非常有意思的实验。

麦克斯韦设想一个完全隔热的箱子被挡板分成A和B两个区域,挡板由一只小妖控制,小妖知道箱子中每一个分子的运动速度。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

当A区域中速率高的分子将要撞击挡板时,小妖会打开挡板,将其引导进B区域,那些速率不高的分子则留在A区域中。

而另一区域则完全相反,小妖会让B区域运动速率高的留在B区域不动,将那些运动速率低的分子引导进A区域。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

一段时间之后,A区域的分子整体速率会偏低,而B区域则会偏高,即A区域温度较低、B区域温度较高。

要知道按照热力学第二定律,热量总会从高温热源向低温热源移动,最后归于平均,这是不可逆的过程。而此时原本温度相同的两个区域却产生了越来越大的温度差,这说明热力学第二定律并非不可逆。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

对于这个在后来被称为“麦克斯韦妖”的设想实验,虽然当时许多人都觉得很不合理,存在着致命的“漏洞”,但受限于当时的物理发展水平,谁也说不出究竟是哪里不对劲。

直到20世纪50年代信息熵概念的出现,人们才彻底制服了这只“麦克斯韦妖”。因为小妖在箱子中为了完成分子的归类,必须要获得分子的速率信息,这种获取信息造成的熵增,足以抵消分子动能迁移减少的熵。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

所以从整体上看,这个看似无懈可击的实验,其实还是遵循着热力学第二定律,这个实验不仅没有打破这个定律,反而是对定律的再次肯定。

此时回到文章开头提到的问题,一个普通的熵增定律怎么会和绝望与恐惧联系到了一起呢?

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

我们都知道,世间万事万物都在不停的消耗能量,而从宏观上看宇宙就是一个孤立的系统,能量的消耗意味着系统的“熵”会越来越大,混乱的程度也就会越来越大,而当混乱程度或无序程度达到峰值时,就意味着灭亡。

所以按照熵增定律,宇宙这个孤立系统总有一天会消亡,而作为生活在其中的智慧生物,当然会感到绝望和恐惧,毕竟不是谁都能接受宇宙中的一切变成无意义粒子。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

而从某种角度上来看,人类文明又何尝不是一个封闭的系统呢?所以按照熵增定律,消亡将会是人类文明最终难逃的结局。

或许我们可以依靠科技手段进行“熵减”,但这不过是延缓消亡到来的时间,并不能真正意义上的改变结局。

一个神秘的物理定律——熵(shāng)增定律

当然了,虽然熵增定律让人感到害怕,但别忘了,人类目前对宇宙的认识仅仅算是皮毛,谁也不知道它漆黑的帷幔后究竟隐藏着多少秘密。

或许在未来的某一天,熵增定律会像地心说一样被扫进历史的垃圾堆,所以我们完全不用对此有任何心理负担,更何况这一天的到来还早着呢,开心过好当下才是最重要的事情。

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

给TA充能
共{{data.count}}人
人已充能
三生万物奖奇思妙想

日本研究发现小行星样本中存在多种氨基酸

2022-6-8 22:16:25

入围博克体计划奇思妙想

哈佛天文学院院长:我们可能已经探测到了裸奇点

2022-6-12 13:01:12

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索