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一条让人绝望的物理定律, 物理学家: 宁愿没发现它

时间:2020-07-06 23:28:03 点击:

  核心提示: 人类的现代科技文明是建立在物理学之上,牛顿的经典物理学让火箭飞上太空,麦克斯韦的电磁学让现代电工学发展起来,爱因斯坦的相对论让导航卫星定位变得精确,量子力学让现代电子工业建立起来。可以说,没有物理...

人类的现代科技文明是建立在物理学之上,牛顿的经典物理学让火箭飞上太空,麦克斯韦的电磁学让现代电工学发展起来,爱因斯坦的相对论让导航卫星定位变得精确,量子力学让现代电子工业建立起来。可以说,没有物理学的发展,就没有现代科技文明。

物理学的发展离不开物理定律的发现,新的定律有可能预示着新的物理学。几条基本的物理学定律,就能构建起一座物理大厦,并能够指导科技的发展。在过去的几百年,物理学和科技就是这么蓬勃发展起来的。

在这些物理学定律中,有一条让物理学家“又爱又恨”。有的科学家宁愿宇宙中就只有这条定律,有的科学家则宁愿没有发现这条定律。这条定律就是热力学第二定律,或者它还有一个更加响亮的名字——熵增定律。

热力学第一定律表明,能量是守恒的,无法被凭空创造出来,所以试图造出一种能够持续输出能量的永动机是不可能的。自那之后,有些人又提出了另一类永动机,如果从自然界中吸收热量,驱动永动机转动,这样就能源源不断地对外做功,而且又没有违背能量守恒定律,这就是第二类永动机。

但随着热力学第二定律的发现,人类意识到第二类永动机也是不现实的。虽然能量是守恒的,但有效的能量会越来越少。煤炭的有用能很高,但它们燃烧之后释放出的能量不可能被全部用来做功,同时会产生一部分废热。

物理学家克劳修斯引入“熵”来表征有用能的多少。能够用于做功的能量越多,熵越小;有用能越少,熵越大。以煤炭为例,没有燃烧的煤炭熵值小,燃烧之后残留下来的煤渣熵值大。

在一个孤立系统中,有用能会越来越少,熵会变得越来越大,这就是熵增原理。如果从自然界中不断吸热,以此实现持续做功,导致有用能增加,就会违背熵增定律,所以这种永动机无法被造出来。

另一方面,熵也可以用来表征系统的混乱程度。系统的混乱度越小,有序度越高,熵越小,反之熵越大。这可以用玻尔兹曼熵公式来描述:

S=k·logW

其中S为系统的熵;k为玻尔兹曼常数;W为微观状态数,其数值越大,系统越无序,熵值越高。这是一个非常奇妙的公式,它把微观和宏观直接联系在一起。

对于孤立系统,熵总会自发地增加,有序度越来越小。熵增原理是不可逆的,以生活中的常见事物为例——破镜无法自发复原,水和牛奶混合后无法自发分开。从某种意义上来讲,熵增也代表着时间的流逝,时间是不可逆的,熵只会增加。

这条物理学定律会推导出一个令人绝望的宇宙大结局——热寂。如果宇宙是一个孤立系统,随着时间的推移,熵将会不断增加,宇宙的混乱度会越来越大,有用能逐渐消耗掉。人类以及其他生命都是负熵体,为了维持机能,我们要不断消耗有用能,这会增加整个宇宙的熵,加速宇宙的衰亡。

据估计,宇宙可能会在10^1000年之后消耗完所有的自由能,整个宇宙处于热平衡,达到热寂的状态。到了那时,宇宙停止运行,任何生命都不复存在。

很多人都说熵增定律会让人醍醐灌顶

作者:不详 来源:网络
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