一條令人絕望的物理定律,物理學傢:寧願沒發現它

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自然界中的現象遵循著某一規律,物理學傢通過不斷觀測,並進行大量實驗,最終總結出瞭科學結論,這就是物理定律。事實證明,物理定律行之有效。如果沒有物理學傢前赴後繼地發現新定律,人類的科技就不可能發展起來。

物理定律給人類帶瞭無限的可能,基於物理定律,我們可以實現前人難以想象的事情,例如,人類登陸月球,無人探測器飛出太陽系。但同時,有些物理定律也給人類帶瞭絕望,以致於一些物理學傢寧願不想發現它,這就是熵增定律,或稱熱力學第二定律。

那麼,熵是什麼?熵增又是怎麼回事?為什麼這條物理定律會讓人類看不到未來?

一個冷的物體和一個熱的物體相互接觸,在正常情況下,冷的物體不可能把熱量自發地傳遞給熱的物體,讓冷的物體更冷,熱的物體更熱,這就是熱力學第二定律,物理學傢克勞修斯是這個表述的提出者。隻有熱的物體才能自發地把熱量傳遞給冷的物體,這個過程是不可逆的。

之所以空調和冰箱能夠制冷,這並非是自發的過程,而是因為它們消耗瞭電能,同時還會產生一些廢熱。從能量角度來看,熵用於表征能夠用於做功的能量(有用能)總和。有用能越多,熵越低。有能用消耗掉之後,熵會變得越來越大。

制冷器的制冷過程需要消耗電能,並向外界釋放出熱量,能量出現退化,這會導致宇宙的熵變大。人類以及地球上的所有生命活動也要消耗能量,用於對抗熵增,否則生命就無法存活,因為生命可以說是一種負熵體,最終的結果會導致整個宇宙的熵變大。

從微觀角度來看,任何事物都是由各種粒子組成的。一個系統中粒子的有序度也可以用熵來度量,混亂的程度越低,有序的程度越高,熵也越低。

鏡子中的原子有序排列,當鏡子打碎之後,原子排列的有序度會降低,這意味著熵會增加。打碎的鏡子無法自發復原,所以熵增是不可逆的。從某種意義上來說,熵增的方向就是時間流逝的方向,不可逆的熵使得時間不可逆轉,時間隻能朝著一個方向流逝。

目前的理論認為,整個宇宙是一個孤立系統。隨著宇宙中的有用能量不斷被消耗掉,混亂程度變得越來越大,熵將會不可逆轉地增加。直到最終,有用能量耗盡,混亂程度達到最大,熵增加到最大,宇宙處於熱力學平衡的狀態。

到瞭那時,熵不再增加,時間將會到達盡頭,宇宙也將失去生機,這就是理論預言中的宇宙“熱寂”。如果不出意外,10^1000年之後,宇宙中的所有天體和物質都會衰變成輕子(比如電子、中微子)和光子,宇宙將會不可避免地達到最低能量的狀態。

除非宇宙中存在能夠任意操控單個粒子運動的“麥克斯韋妖”,或者宇宙之外還有其他宇宙提供能量,或者量子效應在滿是輕子和光子的宇宙中發揮主導作用,我們的宇宙才有可能避免熱寂的結局。

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  • 本文由 发表于 2021年1月15日
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