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一條讓人絕望的物理定律,物理學家:寧願沒發現它

人類的現代科技文明是建立在物理學之上,牛頓的經典物理學讓火箭飛上太空,麥克斯韋的電磁學讓現代電工學發展起來,愛因斯坦的相對論讓導航衛星定位變得精確,量子力學讓現代電子工業建立起來。可以說,沒有物理學的發展,就沒有現代科技文明。

物理學的發展離不開物理定律的發現,新的定律有可能預示著新的物理學。幾條基本的物理學定律,就能構建起一座物理大廈,並能夠指導科技的發展。在過去的幾百年,物理學和科技就是這麽蓬勃發展起來的。

在這些物理學定律中,有一條讓物理學家“又愛又恨”。有的科學家寧願宇宙中就只有這條定律,有的科學家則寧願沒有發現這條定律。這條定律就是熱力學第二定律,或者它還有一個更加響亮的名字——熵增定律。

熱力學第一定律表明,能量是守恆的,無法被憑空創造出來,所以試圖造出一種能夠持續輸出能量的永動機是不可能的。自那之後,有些人又提出了另一類永動機,如果從自然界中吸收熱量,驅動永動機轉動,這樣就能源源不斷地對外做功,而且又沒有違背能量守恆定律,這就是第二類永動機。

但隨著熱力學第二定律的發現,人類意識到第二類永動機也是不現實的。雖然能量是守恆的,但有效的能量會越來越少。煤炭的有用能很高,但它們燃燒之後釋放出的能量不可能被全部用來做功,同時會產生一部分廢熱。

物理學家克勞修斯引入“熵”來表征有用能的多少。能夠用於做功的能量越多,熵越小;有用能越少,熵越大。以煤炭為例,沒有燃燒的煤炭熵值小,燃燒之後殘留下來的煤渣熵值大。

在一個孤立系統中,有用能會越來越少,熵會變得越來越大,這就是熵增原理。如果從自然界中不斷吸熱,以此實現持續做功,導致有用能增加,就會違背熵增定律,所以這種永動機無法被造出來。

另一方面,熵也可以用來表征系統的混亂程度。系統的混亂度越小,有序度越高,熵越小,反之熵越大。這可以用玻爾茲曼熵公式來描述:

S=k·logW

其中S為系統的熵;k為玻爾茲曼常數;W為微觀狀態數,其數值越大,系統越無序,熵值越高。這是一個非常奇妙的公式,它把微觀和宏觀直接聯繫在一起。

對於孤立系統,熵總會自發地增加,有序度越來越小。熵增原理是不可逆的,以生活中的常見事物為例——破鏡無法自發複原,水和牛奶混合後無法自發分開。從某種意義上來講,熵增也代表著時間的流逝,時間是不可逆的,熵只會增加。

這條物理學定律會推導出一個令人絕望的宇宙大結局——熱寂。如果宇宙是一個孤立系統,隨著時間的推移,熵將會不斷增加,宇宙的混亂度會越來越大,有用能逐漸消耗掉。人類以及其他生命都是負熵體,為了維持機能,我們要不斷消耗有用能,這會增加整個宇宙的熵,加速宇宙的衰亡。

據估計,宇宙可能會在10^1000年之後消耗完所有的自由能,整個宇宙處於熱平衡,達到熱寂的狀態。到了那時,宇宙停止運行,任何生命都不複存在。

很多人都說熵增定律會讓人醍醐灌頂,那麽,大家是否有領悟到什麽呢?

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