火星一号|物理学家:宁愿没发现它,一条让人绝望的物理定律


火星一号|物理学家:宁愿没发现它,一条让人绝望的物理定律
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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:
【火星一号|物理学家:宁愿没发现它,一条让人绝望的物理定律】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 。
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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 。
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