热力学第二定律错了吗?

时间:2017-01-28 19:09:49
来源:
作者:阿弋聆风
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热力学第二定律错了吗?, 迄今,人类已经发现了物质世界的各种各样的、大大小小的、许许多多的规律、定律,其中没有一个对物质世界的存在及其进化是不利的、有害的,惟一例外的是热力学第二定律,既

 迄今,人类已经发现了物质世界的各种各样的、大大小小的、许许多多的规律、定律,其中没有一个对物质世界的存在及其进化是不利的、有害的,惟一例外的是热力学第二定律,既特殊而让人难以抗拒,它或许还意味着我们这个宇宙悲凉的结局。

 
什么是热力学第二定律?
 
       不可能从单一热源吸收热量,使之完全转换为功而不引起其他变化。(开尔文表述)
       不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。(克劳修斯表述)
 
       以上是热力学第二定律的两种的表述形式,看似两种形式,其本质却是一样的。
 
       19世纪初期,蒸汽机在工业上已得到广泛的运用,但其效率不高。在研究如何提高效率的过程中,法国物理学家卡诺发现,蒸汽机的效率取决于机械内外的温度差。在蒸汽机的工作过程中,虽然能量是守恒的,但却无法将所有的热量转换做功。作为第一个发现这种数量关系的人,他被认为是现代热力学的奠基者。
 
惊奇事实:关于时间的不对称性
 
       什么是关于时间的不对称性呢?简单来说,就是不能回到过去的那种状态。牛顿的经典物理体系关于时间是对称的:台球桌上小球的运动,用一台摄像机把这个过程拍摄下来,那么把视频倒过来放,同样满足运动的方程式。但是热力学第二定律则不一样,摩擦产生热,耗散到四面八方,把这个过程倒着放,你会发现热从四面八方汇聚一起,然后推动了运动!这是相当荒谬的。真空中的气体自由扩散很轻松就完成了,但如果你想把这些远走高飞的原子唤回来,却需要巨大的麻烦!我们烧掉一块煤,燃烧所得的能量不会消失,但我们却再也无法把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。热力学第二定律解释了这些现象,它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们会得到“一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的“熵”。
 
       现代统计力学认为,热是由概率性原子相互作用的结果。就拿上面气体扩散的例子来说,
 
       对于n个分子,它们集中在A中的概率只有1/2n,对于1mol气体来说,这个概率为1/26*1023≈10-2*1023,这是微不足道的。平均来说,要在2n次观测中出现一次全在A中这样的情况,即使每秒观测108次也要102×1023秒,这个时间比现在估计的宇宙年龄1017(100多亿年)要大得多!这种情况实际上是观察不到的。
 
       应该指出的是,这种定律并不适用于微观即一两个分子的情形,分子数目少的时候大有可能全在A或B中。
 
麦克斯韦的小妖:对热力学第二定律的质疑
 
       热力学第一定律即能量守恒,很容易被人接受,但热力学第二定律却受到了众多质疑。物理学家麦克斯韦于1871年提出了这样一种情形,一个密闭的容器,分成左右两部分,隔板上有个开口。我们知道,气体温度是由其众多分子的平均动能决定的,同一种气体分子,运动得越快气体温度就高。麦克斯韦设想,在开口处有一个“小妖”在这里监视分子的运动,并控制开口的开关。起初两侧温度相同,由分子运动平均率可知,分子之间的速度是有差异的,当运动快的分子进入右侧、或者运动慢的分子进入左侧时,小妖便打开阀门让分子经过,反之,则关闭阀门不让分子经过。如此一来,经过一段时间之后,容器的右边便是运动快的分子,而左边则是运动慢的分子,由于温度反映的是分子的平均动能,因此右侧的温度显然比左侧高,如此一来,我们并没有对这个密闭容器中的气体做功,但是这个容器里的气体便自发地分成了高温和低温两个部分,这显然是违背热力学第二定律的。
 
       应当说,在日常生活中,谁也没有见过这种现象,但是麦克斯韦的小妖又似乎难以驳倒,直到20世纪,人们才弄清楚麦克斯韦小妖并不能推翻热力学第二定律,原因就在于,小妖要想识别分子运动速度的快慢,就需要消耗能量,而且从信息论的角度来说,小妖为此花费的能量将多于它完成这种转移后系统增加的能量。因此,从总体的角度来说,要想完成这一过程,外界就必须消耗能量,整个体系的熵还是增加的。热力学第二定律依然未能被打破!
 
薛定谔的悖论:来自生物学的挑战
 
       如果了热力学第二定律诠释出宇宙越来越混乱的趋势,那么,为什么生命的进化历程显示出越来越有序的趋势呢?1943年,奥地利科学家欧文·薛定谔(Erwin Schrodinger)在剑桥大学演讲时提出了这一悖论。这一悖论显示出了物理学与生物学之间的矛盾——生物体怎样才能抵制热力学的腐蚀?薛定谔推测,生物体一定是以某种方式在自己身上集中了一种整齐有序的趋势,他为这种趋势取了一个奇怪的名字——“负熵”。
 
       生物体不能脱离物理和化学定律的制约,为了达到有序性就必须付出代价。最后的答案是,生命的有序性来自太阳。
 
       地球上的生物圈并不是一个封闭的系统,它得到了太阳的能量。生命的基本过程是获取太阳的低熵、不同波段的光的能量,生命将光转变为生物体和热。获取、使用,以在某种程度上对来自太阳的光子的的高质量能量再循环。通过这些方式,生命获得延续和增长,形成作为宇宙垃圾的熵和热。如果生命是一个孤立的系统,那将是不可思议的。但它是一个开放的系统——这一点极为重要,进化所需要的日趋复杂需要低熵的太阳辐射的资助。
 
       从生物的生存环境上来看这一点,就会更加明显。我们的“有序”,同时产生了更多的“无序”——尿、粪、汗、污染、垃圾和排出的二氧化碳都是人类生活不可避免的废物。作为一个开放的系统,我们必须抛弃物质和能量废物。对于生物体来说,要排除不再有利用价值的气体、液体和废物。站在生态系统的角度,排出的污物进入土壤或水域,在微生物的分解过程中,大部分散失,只有少量能量被重新利用。站在生物圈的角度,我们势必要污染全球共有的海洋,使火箭残余物进入近地太空轨道。大自然已找到了废物再循环进入生物体的方法,但它却无法躲避热力学的规则,即整齐有序地创造出全球的垃圾。
 
       表面的有序,只是地球这个范围内的部分有序,在更大的角度看,地球的有序是以太阳有序的丧失为代价的。
 
热寂:世界的终结?
 
        如果把这个系统扩大到整个宇宙的范围来看,那么就会得到这样一种推论,即,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。威廉·汤姆森(William Thomson)于1850年提出了这个理论,随后,热寂理论又由赫尔曼·冯·亥姆霍兹和威廉·朗肯(William Rankine)加以发展。
 
       根据热寂的学说,宇宙的最终结局将是一片死寂,历经无数亿年艰难曲折一切进化成果都将被毁灭,一切存在过的历史和记忆都将被夷平。简而言之,证明宇宙存在的历史证据都将不复存在,这是什么意思呢?大到星系的运动,星球数目和位置,太阳系有的行星,以及在地球上的发生过的一切,人类文明——今后没有证据来证实这一切的存在。其实,毁灭其实并不是最可怕的,最可怕的是毁灭后还销毁掉了一切存在的证据。
 
        所有的星体都将被毁灭,宇宙成为一片无生命的、毫无生机的、恒温的废墟。热寂理论持有一种悲观的色彩,这种色彩除了引来对未来充满信心的哲学家的批评外,也招到了科学界的质疑。天体物理学家弗里曼·戴逊(Freeman Dyson)认为,这个结论从宇宙论意义上讲是欠成熟的,因为我们的宇宙也许其本身只是一个更大的开放系统的组成部分。但是,在我看来,如果那样认为,那么我们也能把更大的系统包含进来,然后成为一个封闭的系统,在这个系统中达到“热寂”。
 
目前流行的大爆炸理论也对热寂作出解释,但这理论仍然是崇尚热寂的,只不过换过说法而已,该理论认为:对于一个静态的体系(或宇宙中的局部空间)总是趋于平衡态,但宇宙是膨胀的(看着气体膨胀),宇宙根本不能达到平衡态,所以宇宙不会出现热寂。
 
但是一些人认为大爆炸理论的上述解释是错误的,不论宇宙是膨胀、收缩或静态,宇宙都不会进入热寂。因为星体引力在引力方向存在温度坡度,可发生两种情形:①、如果一个星系原是热均衡态,温度处处相等,在星体引力作用下,热量将向引力中心转移,使引力中心温度很高,而外围温度很低;②、如果一个星体与周围已形成温度坡度,这温度坡度是由星体引力大小和星体物质的分子量决定的,当外界施给热量的影响时,引力将始终维持一定的温度坡度,即引力在一段高度内温度差是恒定的。虽然高温星体把热量辐射到太空中,是形成热寂的主要途径,但不论是气态、固态星体的引力应竭力维持一定的温度梯度,故都具有云集太空中热量的功能,实现了热量的回流,所以宇宙永远不会出现热寂。(百度百科)
 
参考资料:
1.《新版大学物理》吴百诗主编
2.《我的另一半 》What Is Sex? 林恩·马古利斯、多里昂·萨根 /著
3.《熵——一种新的世界观》里夫金、霍德华 /著

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 迄今,人类已经发现了物质世界的各种各样的、大大小小的、许许多多的规律、定律,其中没有一个对物质世界的存在及其进化是不利的、有害的,惟一例外的是热力学第二定律,既特殊而让人难以抗拒,它或许还意味着我们这个宇宙悲凉的结局。

 
什么是热力学第二定律?
 
       不可能从单一热源吸收热量,使之完全转换为功而不引起其他变化。(开尔文表述)
       不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。(克劳修斯表述)
 
       以上是热力学第二定律的两种的表述形式,看似两种形式,其本质却是一样的。
 
       19世纪初期,蒸汽机在工业上已得到广泛的运用,但其效率不高。在研究如何提高效率的过程中,法国物理学家卡诺发现,蒸汽机的效率取决于机械内外的温度差。在蒸汽机的工作过程中,虽然能量是守恒的,但却无法将所有的热量转换做功。作为第一个发现这种数量关系的人,他被认为是现代热力学的奠基者。
 
惊奇事实:关于时间的不对称性
 
       什么是关于时间的不对称性呢?简单来说,就是不能回到过去的那种状态。牛顿的经典物理体系关于时间是对称的:台球桌上小球的运动,用一台摄像机把这个过程拍摄下来,那么把视频倒过来放,同样满足运动的方程式。但是热力学第二定律则不一样,摩擦产生热,耗散到四面八方,把这个过程倒着放,你会发现热从四面八方汇聚一起,然后推动了运动!这是相当荒谬的。真空中的气体自由扩散很轻松就完成了,但如果你想把这些远走高飞的原子唤回来,却需要巨大的麻烦!我们烧掉一块煤,燃烧所得的能量不会消失,但我们却再也无法把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。热力学第二定律解释了这些现象,它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们会得到“一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的“熵”。
 
       现代统计力学认为,热是由概率性原子相互作用的结果。就拿上面气体扩散的例子来说,
 
       对于n个分子,它们集中在A中的概率只有1/2n,对于1mol气体来说,这个概率为1/26*1023≈10-2*1023,这是微不足道的。平均来说,要在2n次观测中出现一次全在A中这样的情况,即使每秒观测108次也要102×1023秒,这个时间比现在估计的宇宙年龄1017(100多亿年)要大得多!这种情况实际上是观察不到的。
 
       应该指出的是,这种定律并不适用于微观即一两个分子的情形,分子数目少的时候大有可能全在A或B中。
 
麦克斯韦的小妖:对热力学第二定律的质疑
 
       热力学第一定律即能量守恒,很容易被人接受,但热力学第二定律却受到了众多质疑。物理学家麦克斯韦于1871年提出了这样一种情形,一个密闭的容器,分成左右两部分,隔板上有个开口。我们知道,气体温度是由其众多分子的平均动能决定的,同一种气体分子,运动得越快气体温度就高。麦克斯韦设想,在开口处有一个“小妖”在这里监视分子的运动,并控制开口的开关。起初两侧温度相同,由分子运动平均率可知,分子之间的速度是有差异的,当运动快的分子进入右侧、或者运动慢的分子进入左侧时,小妖便打开阀门让分子经过,反之,则关闭阀门不让分子经过。如此一来,经过一段时间之后,容器的右边便是运动快的分子,而左边则是运动慢的分子,由于温度反映的是分子的平均动能,因此右侧的温度显然比左侧高,如此一来,我们并没有对这个密闭容器中的气体做功,但是这个容器里的气体便自发地分成了高温和低温两个部分,这显然是违背热力学第二定律的。
 
       应当说,在日常生活中,谁也没有见过这种现象,但是麦克斯韦的小妖又似乎难以驳倒,直到20世纪,人们才弄清楚麦克斯韦小妖并不能推翻热力学第二定律,原因就在于,小妖要想识别分子运动速度的快慢,就需要消耗能量,而且从信息论的角度来说,小妖为此花费的能量将多于它完成这种转移后系统增加的能量。因此,从总体的角度来说,要想完成这一过程,外界就必须消耗能量,整个体系的熵还是增加的。热力学第二定律依然未能被打破!
 
薛定谔的悖论:来自生物学的挑战
 
       如果了热力学第二定律诠释出宇宙越来越混乱的趋势,那么,为什么生命的进化历程显示出越来越有序的趋势呢?1943年,奥地利科学家欧文·薛定谔(Erwin Schrodinger)在剑桥大学演讲时提出了这一悖论。这一悖论显示出了物理学与生物学之间的矛盾——生物体怎样才能抵制热力学的腐蚀?薛定谔推测,生物体一定是以某种方式在自己身上集中了一种整齐有序的趋势,他为这种趋势取了一个奇怪的名字——“负熵”。
 
       生物体不能脱离物理和化学定律的制约,为了达到有序性就必须付出代价。最后的答案是,生命的有序性来自太阳。
 
       地球上的生物圈并不是一个封闭的系统,它得到了太阳的能量。生命的基本过程是获取太阳的低熵、不同波段的光的能量,生命将光转变为生物体和热。获取、使用,以在某种程度上对来自太阳的光子的的高质量能量再循环。通过这些方式,生命获得延续和增长,形成作为宇宙垃圾的熵和热。如果生命是一个孤立的系统,那将是不可思议的。但它是一个开放的系统——这一点极为重要,进化所需要的日趋复杂需要低熵的太阳辐射的资助。
 
       从生物的生存环境上来看这一点,就会更加明显。我们的“有序”,同时产生了更多的“无序”——尿、粪、汗、污染、垃圾和排出的二氧化碳都是人类生活不可避免的废物。作为一个开放的系统,我们必须抛弃物质和能量废物。对于生物体来说,要排除不再有利用价值的气体、液体和废物。站在生态系统的角度,排出的污物进入土壤或水域,在微生物的分解过程中,大部分散失,只有少量能量被重新利用。站在生物圈的角度,我们势必要污染全球共有的海洋,使火箭残余物进入近地太空轨道。大自然已找到了废物再循环进入生物体的方法,但它却无法躲避热力学的规则,即整齐有序地创造出全球的垃圾。
 
       表面的有序,只是地球这个范围内的部分有序,在更大的角度看,地球的有序是以太阳有序的丧失为代价的。
 
热寂:世界的终结?
 
        如果把这个系统扩大到整个宇宙的范围来看,那么就会得到这样一种推论,即,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。威廉·汤姆森(William Thomson)于1850年提出了这个理论,随后,热寂理论又由赫尔曼·冯·亥姆霍兹和威廉·朗肯(William Rankine)加以发展。
 
       根据热寂的学说,宇宙的最终结局将是一片死寂,历经无数亿年艰难曲折一切进化成果都将被毁灭,一切存在过的历史和记忆都将被夷平。简而言之,证明宇宙存在的历史证据都将不复存在,这是什么意思呢?大到星系的运动,星球数目和位置,太阳系有的行星,以及在地球上的发生过的一切,人类文明——今后没有证据来证实这一切的存在。其实,毁灭其实并不是最可怕的,最可怕的是毁灭后还销毁掉了一切存在的证据。
 
        所有的星体都将被毁灭,宇宙成为一片无生命的、毫无生机的、恒温的废墟。热寂理论持有一种悲观的色彩,这种色彩除了引来对未来充满信心的哲学家的批评外,也招到了科学界的质疑。天体物理学家弗里曼·戴逊(Freeman Dyson)认为,这个结论从宇宙论意义上讲是欠成熟的,因为我们的宇宙也许其本身只是一个更大的开放系统的组成部分。但是,在我看来,如果那样认为,那么我们也能把更大的系统包含进来,然后成为一个封闭的系统,在这个系统中达到“热寂”。
 
目前流行的大爆炸理论也对热寂作出解释,但这理论仍然是崇尚热寂的,只不过换过说法而已,该理论认为:对于一个静态的体系(或宇宙中的局部空间)总是趋于平衡态,但宇宙是膨胀的(看着气体膨胀),宇宙根本不能达到平衡态,所以宇宙不会出现热寂。
 
但是一些人认为大爆炸理论的上述解释是错误的,不论宇宙是膨胀、收缩或静态,宇宙都不会进入热寂。因为星体引力在引力方向存在温度坡度,可发生两种情形:①、如果一个星系原是热均衡态,温度处处相等,在星体引力作用下,热量将向引力中心转移,使引力中心温度很高,而外围温度很低;②、如果一个星体与周围已形成温度坡度,这温度坡度是由星体引力大小和星体物质的分子量决定的,当外界施给热量的影响时,引力将始终维持一定的温度坡度,即引力在一段高度内温度差是恒定的。虽然高温星体把热量辐射到太空中,是形成热寂的主要途径,但不论是气态、固态星体的引力应竭力维持一定的温度梯度,故都具有云集太空中热量的功能,实现了热量的回流,所以宇宙永远不会出现热寂。(百度百科)
 
参考资料:
1.《新版大学物理》吴百诗主编
2.《我的另一半 》What Is Sex? 林恩·马古利斯、多里昂·萨根 /著
3.《熵——一种新的世界观》里夫金、霍德华 /著
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