一條令人感到絕望的物理定律,物理學家:寧願不要發現它

王雪嵩 2021/03/19 檢舉 我要評論
 
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通過結合實驗和數學,伽利略開創了科學研究的先河,從此物理學走上了快速發展的道路。此後,牛頓發揚光大,建立了牛頓力學,成為經典物理學的開創者,他也被冠以人類史上最偉大的物理學家。

在牛頓之後,又有麥克斯韋、普朗克、愛因斯坦、玻爾、狄拉克、費曼、薛定諤等一眾物理學家,發現了一系列新的物理學定律,極大改變了人類對於世界的認識。不僅如此,人類利用物理學定律發展出了現代科技文明,徹底革新了人類的生活。

然而,物理學定律在造福人類的同時,有一條物理定律卻給人類帶了絕望,以致於有的物理學家發出感歎,寧願不要發現它。 這條定律預示著宇宙必然會走向不可逆轉的毀滅,它就是熵增定律。那麼,熵增定律是怎麼來的呢?

這還要從熱力學的發展說起。大量的實驗表明,能量是守恆的,它們不會憑空出現和消失,只會在不同形式之間轉換,這就是能量守恆定律,也稱熱力學第一定律。這一定律的誕生,讓不消耗能量卻能做功的永動機化為泡影。

此後,又有人設想建造另一種永動機,這種機器可以從自然界中吸收熱量,然後以此來驅動機器做功,這並不違背能量守恆定律。然而,無論怎麼嘗試,這類永動機也是沒有造出來,原因在於還有未知的熱力學定律在起作用。

1824年,物理學家卡諾在研究熱機時發現,熱量並不能被百分百轉換為能量,其熱效率正相關於高溫和低溫熱源的溫差。為了定量描述熱機的能量耗散,克勞修斯在1865年引入了一個常數——熵。

熵可以表徵無用能量的多少,無用能量越多,熵越大;有用能量越多,熵越小。熱機在運行過程中,會產生無用的熱量,例如,機械結構之間相互摩擦所產生的熱量,這些熱量不能用於做功,系統的熵會變得越來越大。

由此可見, 能量的轉化和傳遞是有方向性的,低溫熱源的熱量不會自發地傳遞給高溫熱源,熱量不能自發並且全部轉化為功。因此,熵的值只會變得越來越大,並且是不可逆轉的,這就是熵增定律,亦稱熱力學第二定律,它表明第二類永動機也是不可能實現的。

1877年,物理學家玻爾茲曼進一步擴展了熵的概念。他發現,系統的熵與其微觀狀態數量有關。倘若系統的微觀狀態數量越多,意味著系統越混亂,表明熵值越大。一個系統的有序度只會自發地變得越來越低,熵會逐漸增加。

那麼,為什麼熵增定律十分特殊?為什麼它可以預示宇宙的最終結局呢?

對於其他物理定律,它們都是關於時間對稱的,無論是時間正向還是逆向流逝,都沒有任何區別,例如,一顆小球從空中自由落體到達地面,如果從地面以小球的落地末速度,把小球豎直向上扔出,該小球又會到達原有的高度。

然而, 熵增定律卻非常特殊,熵只能增大,水和乙醇混合後不會自發分離,玻璃打碎後也無法自動復原。 熵增定律表明,時間的流逝方向是單一的,只能向前流逝,這是牛頓和愛因斯坦的物理學所無法解釋的。不僅如此,這條定律還設定好了宇宙的結局。

宇宙誕生於138億年前的低熵狀態,隨著宇宙的演化,無序度越來越高,有用能量被逐漸消耗掉,宇宙的熵在不斷增大。雖然宇宙中形成了很多有序結構和低熵體,例如,恒星、星系和包括人類在內的地球生命,但這些都需要消耗宇宙的有用能來維持低熵狀態,所以總體上還是會導致整個宇宙的熵變大。

因此, 宇宙之形成以來,就註定朝著熵最大的方向在演化。最終,行星會脫離原有的軌道並解體,原子四分五裂,質子發生衰變,黑洞蒸發殆盡,只留下光子以及輕子。

宇宙遲早會迎來無序度最高、有用能耗盡的最大熵狀態,這就是熱寂的結局,預計時間是在10^1000年以後。當然,這個時間對於渺小的人類而言非常漫長,我們還有足夠的時間來保持低熵的狀態。

 

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