宇宙解码 - 熵:给宇宙带来混乱的无形力量

上一篇(左方向键) 下一篇(右方向键) 回目录(回车键) 粗体(B键)  正常(N键) 随机浏览(S键)   浏览次数:19    发布时间:2020/5/20 2:05:47   出处:宇宙解码   

  我们不能轻易将挤出来的牙膏放回管中;我们不能指望蒸汽分子自发地聚集在一起而形成水球。如果您将一堆科吉幼犬放到田野里,那么不做大量工作就不可能将它们全部赶回笼子里。这些是与热力学第二定律(也称为熵定律)相关的问题。

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  热力学第二定律(熵定律)

  热力学第二定律(熵定律),从工程学到自然科学再到化学、物理学甚至经济学、热力学对各种科学学科都很重要。热力学系统是一个封闭的空间,不会轻易让能量进出。

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  热力学的第一定律与能量守恒有关——我们可能还记得高中物理老师讲课的声音,告诉我们在封闭系统中的能量保持恒定(“既不能产生也不能消灭能量”),除非外界对其进行了篡改。但是,能量不断变化的形式——火灾会将植物的化学能转化为热能和电磁能。电池将化学能转化为电能。世界转动,能量变得不那么有条理。

  慕尼黑工业大学生命科学学院生物热力学的博士后研究员马尔科·波波维奇(Marko Popovic)在一封电子邮件中说:“热力学的第二定律称为熵定律。这是自然界最重要的法律之一。”

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  慕尼黑工业大学

  熵是封闭系统中无序的度量。根据第二定律,系统中的熵几乎总是随时间增加——我们可以做一些工作来创建系统中的秩序,但即使是重新排序的工作也会以无序形式(通常以热的形式)增加无序性。由于熵的度量基于概率,因此,有时系统中的熵可能会降低,但是从统计角度上讲这不太可能。

  紊乱的定义

  找到一个不让能量流出或进出的系统,比您想象的要困难得多——我们的宇宙就是这样的一个很好的例子——但熵描述了在像宇宙这样大的系统中紊乱的发生,与充满咖啡的热水瓶一样小的系统中紊乱的发生一样。

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  但是,熵与我们将一群黑猩猩锁在厨房中时所想到的紊乱类型无关。它更多地取决于该厨房中可以进行多少次紊乱排列,而不是可能发生多大紊乱。当然,熵取决于许多因素:有多少黑猩猩,厨房中存储了多少东西以及厨房有多大。

  因此,如果我们要看两个厨房,一个很大,里面放进许多菌褶,但是却非常干净,另一个更小,里面的东西更少,但是已经被黑猩猩弄得一塌糊涂——这很诱人,这样的厨房有更多的熵,但不一定如此。熵本身更关注的是有多少种不同的状态,而不是目前的无序状态。因此,如果系统中有更多的分子和原子,并且更大,那么它的熵就更大。

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  熵令人困惑

  熵是最真实的科学概念,但是很少有人真正理解它。熵的概念可能非常令人困惑——部分是因为实际上存在不同的类型。匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)对此表示遗憾:“在讨论中使用‘熵’一词的人总是赢家,因为没人知道熵的真正含义,因此在辩论中总是有优势。

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  匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼

  “定义熵有点困难。”波波维奇说,“也许最好将其定义为非负热力学性质,它表示系统的一部分能量无法转化为有用功。因此,向系统中添加任何能量都意味着将转化一部分能量熵,从而增加系统的无序性。因此,熵是对系统无序性的一种度量。”

  但是,如果我们感到困惑,也不要感到难过,定义可能会根据当前使用的学科而有所不同:

鲁道夫·克劳修斯(Rudolph Clausius) - 后花园网文 - 探索新闻

  在19世纪中叶,一位名叫鲁道夫·克劳修斯(Rudolph Clausius)的德国物理学家,热力学概念的创始人之一,正在研究蒸汽机效率的问题,并发明了熵的概念,以帮助测量无法转化为有用工作的无用的能量。几十年后,路德维希·玻尔兹曼(熵的另一个“奠基人”)用这个概念解释了无数原子的行为:即使不可能描述一杯水中每个粒子的行为,也仍然可以预测使用熵公式加热时它们的集体行为。

  “在1960年代,美国物理学家E.T. 杰恩斯(E.T. Jaynes)将熵解释为我们错过的信息,无法确定系统中所有粒子的运动。” 波波维奇说,“例如,一摩尔气体由6 x 10^23个粒子组成。因此,对于我们来说,不可能描述每个粒子的运动,所以我们接着这么做,不是通过每个粒子的运动,而是通过所有粒子组合的特性:温度,压力,总能量来定义气体,我们这样做时丢失的信息称为熵。”

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  如果没有熵,那么“宇宙热死亡”这个可怕的概念就不可能实现。因为我们的宇宙很可能是一个奇点——一个无限小的有序能量点——膨胀出来,并且一直在膨胀,熵在我们的宇宙中不断增长,因为有更多的空间,因此更多的潜在的无序状态,让这里的原子采用。

  科学家假设,在我和你走了很久之后,宇宙最终将达到最大无序的某个点,在这一点上,所有事物都将处于相同的温度,宇宙所有物质全部转化为热能,于是热寂出现了。此时的宇宙再也没有新生事物,一切都归于“寂”。

  

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