熱力學第二定律錯了嗎?

熱力學第二定律錯了嗎?

2017-01-28 19:09:49  互聯網
本文作者:阿弋聆風

發表時間:2017-01-28 19:09:49作者:阿弋聆風來源:互聯網字體大小:A+  A-

 迄今,人類已經發現了物質世界的各種各樣的、大大小小的、許許多多的規律、定律,其中沒有一個對物質世界的存在及其進化是不利的、有害的,惟一例外的是熱力學第二定律,既特殊而讓人難以抗拒,它或許還意味著我們這個宇宙悲涼的結局。

 
什么是熱力學第二定律?
 
       不可能從單一熱源吸收熱量,使之完全轉換為功而不引起其他變化。(開爾文表述)
       不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。(克勞修斯表述)
 
       以上是熱力學第二定律的兩種的表述形式,看似兩種形式,其本質卻是一樣的。
 
       19世紀初期,蒸汽機在工業上已得到廣泛的運用,但其效率不高。在研究如何提高效率的過程中,法國物理學家卡諾發現,蒸汽機的效率取決于機械內外的溫度差。在蒸汽機的工作過程中,雖然能量是守恒的,但卻無法將所有的熱量轉換做功。作為第一個發現這種數量關系的人,他被認為是現代熱力學的奠基者。
 
驚奇事實:關于時間的不對稱性
 
       什么是關于時間的不對稱性呢?簡單來說,就是不能回到過去的那種狀態。牛頓的經典物理體系關于時間是對稱的:臺球桌上小球的運動,用一臺攝像機把這個過程拍攝下來,那么把視頻倒過來放,同樣滿足運動的方程式。但是熱力學第二定律則不一樣,摩擦產生熱,耗散到四面八方,把這個過程倒著放,你會發現熱從四面八方匯聚一起,然后推動了運動!這是相當荒謬的。真空中的氣體自由擴散很輕松就完成了,但如果你想把這些遠走高飛的原子喚回來,卻需要巨大的麻煩!我們燒掉一塊煤,燃燒所得的能量不會消失,但我們卻再也無法把同一塊煤重新燒一次來做同樣的功了。熱力學第二定律解釋了這些現象,它告訴我們每當能量從一種狀態轉化到另一種狀態時,我們會得到“一定的懲罰”。這個懲罰就是我們損失了能在將來用于做某種功的一定能量。這就是所謂的“熵”。
 
       現代統計力學認為,熱是由概率性原子相互作用的結果。就拿上面氣體擴散的例子來說,
 
       對于n個分子,它們集中在A中的概率只有1/2n,對于1mol氣體來說,這個概率為1/26*1023≈10-2*1023,這是微不足道的。平均來說,要在2n次觀測中出現一次全在A中這樣的情況,即使每秒觀測108次也要102×1023秒,這個時間比現在估計的宇宙年齡1017(100多億年)要大得多!這種情況實際上是觀察不到的。
 
       應該指出的是,這種定律并不適用于微觀即一兩個分子的情形,分子數目少的時候大有可能全在A或B中。
 
麥克斯韋的小妖:對熱力學第二定律的質疑
 
       熱力學第一定律即能量守恒,很容易被人接受,但熱力學第二定律卻受到了眾多質疑。物理學家麥克斯韋于1871年提出了這樣一種情形,一個密閉的容器,分成左右兩部分,隔板上有個開口。我們知道,氣體溫度是由其眾多分子的平均動能決定的,同一種氣體分子,運動得越快氣體溫度就高。麥克斯韋設想,在開口處有一個“小妖”在這里監視分子的運動,并控制開口的開關。起初兩側溫度相同,由分子運動平均率可知,分子之間的速度是有差異的,當運動快的分子進入右側、或者運動慢的分子進入左側時,小妖便打開閥門讓分子經過,反之,則關閉閥門不讓分子經過。如此一來,經過一段時間之后,容器的右邊便是運動快的分子,而左邊則是運動慢的分子,由于溫度反映的是分子的平均動能,因此右側的溫度顯然比左側高,如此一來,我們并沒有對這個密閉容器中的氣體做功,但是這個容器里的氣體便自發地分成了高溫和低溫兩個部分,這顯然是違背熱力學第二定律的。
 
       應當說,在日常生活中,誰也沒有見過這種現象,但是麥克斯韋的小妖又似乎難以駁倒,直到20世紀,人們才弄清楚麥克斯韋小妖并不能推翻熱力學第二定律,原因就在于,小妖要想識別分子運動速度的快慢,就需要消耗能量,而且從信息論的角度來說,小妖為此花費的能量將多于它完成這種轉移后系統增加的能量。因此,從總體的角度來說,要想完成這一過程,外界就必須消耗能量,整個體系的熵還是增加的。熱力學第二定律依然未能被打破!
 
薛定諤的悖論:來自生物學的挑戰
 
       如果了熱力學第二定律詮釋出宇宙越來越混亂的趨勢,那么,為什么生命的進化歷程顯示出越來越有序的趨勢呢?1943年,奧地利科學家歐文·薛定諤(Erwin Schrodinger)在劍橋大學演講時提出了這一悖論。這一悖論顯示出了物理學與生物學之間的矛盾——生物體怎樣才能抵制熱力學的腐蝕?薛定諤推測,生物體一定是以某種方式在自己身上集中了一種整齊有序的趨勢,他為這種趨勢取了一個奇怪的名字——“負熵”。
 
       生物體不能脫離物理和化學定律的制約,為了達到有序性就必須付出代價。最后的答案是,生命的有序性來自太陽。
 
       地球上的生物圈并不是一個封閉的系統,它得到了太陽的能量。生命的基本過程是獲取太陽的低熵、不同波段的光的能量,生命將光轉變為生物體和熱。獲取、使用,以在某種程度上對來自太陽的光子的的高質量能量再循環。通過這些方式,生命獲得延續和增長,形成作為宇宙垃圾的熵和熱。如果生命是一個孤立的系統,那將是不可思議的。但它是一個開放的系統——這一點極為重要,進化所需要的日趨復雜需要低熵的太陽輻射的資助。
 
       從生物的生存環境上來看這一點,就會更加明顯。我們的“有序”,同時產生了更多的“無序”——尿、糞、汗、污染、垃圾和排出的二氧化碳都是人類生活不可避免的廢物。作為一個開放的系統,我們必須拋棄物質和能量廢物。對于生物體來說,要排除不再有利用價值的氣體、液體和廢物。站在生態系統的角度,排出的污物進入土壤或水域,在微生物的分解過程中,大部分散失,只有少量能量被重新利用。站在生物圈的角度,我們勢必要污染全球共有的海洋,使火箭殘余物進入近地太空軌道。大自然已找到了廢物再循環進入生物體的方法,但它卻無法躲避熱力學的規則,即整齊有序地創造出全球的垃圾。
 
       表面的有序,只是地球這個范圍內的部分有序,在更大的角度看,地球的有序是以太陽有序的喪失為代價的。
 
熱寂:世界的終結?
 
        如果把這個系統擴大到整個宇宙的范圍來看,那么就會得到這樣一種推論,即,宇宙的熵會隨著時間的流逝而增加,由有序向無序,當宇宙的熵達到最大值時,宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能,所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。威廉·湯姆森(William Thomson)于1850年提出了這個理論,隨后,熱寂理論又由赫爾曼·馮·亥姆霍茲和威廉·朗肯(William Rankine)加以發展。
 
       根據熱寂的學說,宇宙的最終結局將是一片死寂,歷經無數億年艱難曲折一切進化成果都將被毀滅,一切存在過的歷史和記憶都將被夷平。簡而言之,證明宇宙存在的歷史證據都將不復存在,這是什么意思呢?大到星系的運動,星球數目和位置,太陽系有的行星,以及在地球上的發生過的一切,人類文明——今后沒有證據來證實這一切的存在。其實,毀滅其實并不是最可怕的,最可怕的是毀滅后還銷毀掉了一切存在的證據。
 
        所有的星體都將被毀滅,宇宙成為一片無生命的、毫無生機的、恒溫的廢墟。熱寂理論持有一種悲觀的色彩,這種色彩除了引來對未來充滿信心的哲學家的批評外,也招到了科學界的質疑。天體物理學家弗里曼·戴遜(Freeman Dyson)認為,這個結論從宇宙論意義上講是欠成熟的,因為我們的宇宙也許其本身只是一個更大的開放系統的組成部分。但是,在我看來,如果那樣認為,那么我們也能把更大的系統包含進來,然后成為一個封閉的系統,在這個系統中達到“熱寂”。
 
目前流行的大爆炸理論也對熱寂作出解釋,但這理論仍然是崇尚熱寂的,只不過換過說法而已,該理論認為:對于一個靜態的體系(或宇宙中的局部空間)總是趨于平衡態,但宇宙是膨脹的(看著氣體膨脹),宇宙根本不能達到平衡態,所以宇宙不會出現熱寂。
 
但是一些人認為大爆炸理論的上述解釋是錯誤的,不論宇宙是膨脹、收縮或靜態,宇宙都不會進入熱寂。因為星體引力在引力方向存在溫度坡度,可發生兩種情形:①、如果一個星系原是熱均衡態,溫度處處相等,在星體引力作用下,熱量將向引力中心轉移,使引力中心溫度很高,而外圍溫度很低;②、如果一個星體與周圍已形成溫度坡度,這溫度坡度是由星體引力大小和星體物質的分子量決定的,當外界施給熱量的影響時,引力將始終維持一定的溫度坡度,即引力在一段高度內溫度差是恒定的。雖然高溫星體把熱量輻射到太空中,是形成熱寂的主要途徑,但不論是氣態、固態星體的引力應竭力維持一定的溫度梯度,故都具有云集太空中熱量的功能,實現了熱量的回流,所以宇宙永遠不會出現熱寂。(百度百科)
 
參考資料:
1.《新版大學物理》吳百詩主編
2.《我的另一半 》What Is Sex? 林恩·馬古利斯、多里昂·薩根 /著
3.《熵——一種新的世界觀》里夫金、霍德華 /著

責編:科普知識網

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