熱力學傳奇之九:死神來了,第二定律扼殺了宇宙的未來

2020-12-12 科學背後的故事

玻爾茲曼熵公式可以說是科學史上爭議最大的公式,也是牽涉範圍最廣的公式,不但各路物理學大V紛紛加入戰團,就連社會學界對此也頗有非議,甚至還是民科的重災區。

自從克勞修斯和開爾文爵士分別獨立提出熱力學第二定律以來,就已經宣告了第二類永動機不可能建成,但是諸位民科大神依然趨之若鶩,就是現在也經常有新聞報導某位民間大神研製成功第二類永動機,這是因為熱力學第二定律從根本上說還只是經驗的總結,並不是嚴格的物理學定律,其表述又明白如話,這讓民科大神們能自以為看明白了。

如果民科大神們看完熱力學第二定律後,再繼續深入一下,研究了玻爾茲曼熵公式,估計就不會再對第二類永動機感興趣了,而是避之唯恐不及。

路德維希.玻爾茲曼,奧地利物理學家,於1877年運用統計力學的方法提出了玻爾茲曼熵公式,即S∝lgW,W為宏觀狀態下包含微觀狀態數量,1900年,量子力學創始人普朗克為公式增加了一個常數k,為了紀念偉大的前輩,普朗克將常數命名為玻爾茲曼常數,於是公式變為S=klgW,現在玻爾茲曼公式通常表述為S=klnΩ,用自然對數取代了常用對數。

玻爾茲曼的墓碑

因為Ω是宏觀狀態下包含微觀狀態的數量,只有完美晶體且絕對溫度等於零的情況其值才能等於1,這兩個條件太難達到了,只有宇宙大爆炸的奇點才接近這個條件,所以S也只能是≥0的正值。

初始值為正,且只能增加不能減少,還有一個物理量具有如此性質,那就是時間,所以熵又被稱為「時間之箭」,在此之前,時間只是我們臆想出來的一個概念,或者說只是一個心理學概念,我們只能感覺到時間一去不復返,例如孔夫子只能站在岸邊慨嘆:逝者如斯夫。熵第一次定義了時間,對熵的測量就是一種時鐘。廣電總局會非常喜歡玻爾茲曼,因為他的研究證明了穿越劇不可能實現。

「時間之箭」的提出卻引起了軒然大波,首先在社會學界引發了抗議,因為依照玻爾茲曼的理論,人只能更壞,社會也走向分崩離析,最後滅亡,熱力學第二定律是當時名聲最壞的定律,被認為是墮落的淵藪,這是社會學家們多慮了,因為人類社會並不是一個熱力學隔離系統,而是一個自適應系統,熵增原理並不適用於人類社會。

在科學界的影響也並不比在社會學界小,根據玻爾茲曼熵公式,如果把系統擴大到整個宇宙,作為一個「孤立」的系統,宇宙的熵會隨著時間的流異而增加,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,這就是熱寂說。

這樣恐怖的未來比黑暗森林還要黑暗,已經是死神永生了。

為了給宇宙一點光明,各路大神紛紛出場,這次又是誰站了出來呢?

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    大家好,歡迎收看我的百家號小林看天下事,今天小編要給大家的介紹的是熱力學第二定律的來源。熱力學第二定律熱力學第二定律用物理學的語言告訴我們,沒有什麼是永恆的。它指出,可以做功的能量會越來越少,這一過程雖然緩慢,卻確實存在。不管是冰箱的運轉,還是宇宙黑洞的物理規律,都遵循熱力學第二定律。有些宇宙學家甚至在思考,這一定律會不會帶來宇宙的終結。
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    熱力學第二定律的實質就是:熱量只能自發地從高溫向低溫順向流動,而從來不反流。如果發現了熱量「反流」的事實,熱力學第二定律的實質就被突破了。其實,客觀上存在許多熱力學第二定律的反例:1 .這熱量的逆向流動,突破了熱量從來不反流的熱力學第二定律。4. 把水鍋中的水在煤氣火上燒開後, 突然關掉煤氣火, 水面上會突然出現大量的水蒸汽。過去用水蒸汽是看不見的, 關火後水蒸汽變成水滴就能看見了的方法來解釋。這種說法掩蓋了實質,關火後水的熱容量並不會突然消失,水蒸汽怎能突然降溫成水滴?
  • 宇宙為何要遵守熱力學第二定律?
    導讀:我們知道,宇宙萬物都有其運行的規則,比如我們所熟知的萬有引力,以及電荷之間的作用力等!然而科學家們發現,在這些規則中,有一條規則尤為重要,這就是著名的熱力學第二定律,也就是我們所謂的熵增定律!基於熱力學第二定律的基本表述,我們可以知道,熱量只會有高溫物體傳遞到低溫物體,並不會自發地從低溫物體傳遞到高溫物體!這是一個衡量常識的問題,所以最開始的時候,科學家們並未認識到熱力學第二定律的可怕之處。
  • 進化與熱力學第二定律矛盾嗎?
    熱力學中的熵認為宇宙正在變壞,而進化論則認為宇宙正在變好,誰能解釋一下這個矛盾。很多人提出這個矛盾來試圖證明進化是不可能的。然而,提出這個想法的人是因為對熱力學第二定律的錯誤理解,實際上,進化論與任何已知的物理定律都沒有矛盾。
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    這個定律有很多表達形式,數學式的表達為:根據普遍的能量守恆定律,系統由初態Ⅰ經過任意過程到達終態Ⅱ後,內能的增量ΔU應等於在此過程中外界對系統傳遞的熱量Q 和系統對外界作功A之差,即UⅡ-UⅠ=ΔU=Q-A或Q=ΔU+A這就是熱力學第一定律的表達式。熱功當量被發明之後首先就是使人們放棄了幾百年來探尋永動機的幻想,因此該定律還有一種很便於理解的表達形式: 「不可能製造出第一類永動機」。
  • 《我對熱力學第二定律的看法》
    其實這個熱力學第二定律,到達的「熱寂」,我是不贊成這一理論的。宇宙無限循環,生生不息,怎麼會「熱寂」死亡呢?第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方,對任何物理系統,這都是顯而易見的特性,毫無神秘之處。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的「熵」與日俱增。
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    熱力學第二定律指出,宇宙將趨於高熵狀態。如果事實如此,那麼當宇宙中所有的物質處於混亂狀態時將會發生什麼?物質還如何守恆呢?讓我們從第二個問題入手。物理學家往往傾向於說能量是守恆的,而不是說物質守恆。在相對論中,我們可以將一個(物體或能量)轉換為另一個,在此過程中能量永遠守恆。
  • 熱力學第二定律
    ,下列說法正確的是A.熱力學第二定律是通過實驗總結出來的實驗定律B.熱力學第二定律是通過大量自然現象的不可逆性總結出來的經驗定律C.熱力學第二定律是物理學家從理論推導得出來的結果D.由於熱力學第二定律沒有理論和實驗的依據
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    但上月晚些時候,美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory,簡稱ANL)的科學家發現該體系存在一個漏洞,讓他們能夠打破熱力學第二定律。這一發現不僅僅給了我們一個機會,讓我們有一天可以打造永動機,而且對我們如何理解宇宙有巨大影響。永動機可以在沒有能量輸入的情況下永恆旋轉,以前只是一個難以實現的理論。
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    在宇宙中,時間的流逝意味著熵值的增加,即熱力學第二定律(亦稱熵增加定律)。它解釋了為什麼熱咖啡會變涼、為什麼破鏡難以重圓、以及為什麼人類無法製造出第二類永動機。
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    扯遠了,還是繼續說第零定律。第零定律是說如果兩個熱力學系統都和第三個熱力學系統平衡,那麼這兩個熱力學系統也平衡,這就是一句大白話是吧,確實是,熱力學定律都是大白話。可是為什麼叫第零定律,而不叫第四定律,因為這一定律比其他三個定律更基礎,可它提出的又晚,只能叫第零定律了,要是它提出的早,其餘三個就依次後推了。
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    在電影中,來自未來的人們發明了一種「逆熵武器」,女科學家蘿拉負責對這種能夠逆轉時間的武器進行研究。我們今天就來簡要地介紹一下「熵」這個玩意兒到底是什麼,以及它和時間究竟有著什麼樣的聯繫。揭開它神秘的面紗。
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    課程:熱學主題:熱力學第二定律1 可逆過程一個系統由某一狀態出發,經過某一過程達到另一狀態,如果存在另一過程,它能使系統和外界完全復原,則原來的過程稱為可逆過程一切不可逆過程都可以利用熱力學第二定律來說明過程進行的方向:「用任何方法都不可能使系統和外界完全復原」等價於「任何一種可能的將系統和外界完全復原的方法都違背熱力學第二定律」。2 熱力學第二定律熱力學第二定律是關於自然過程方向性的定律。開爾文表述和克勞修斯表述是等價的。
  • 絕非聳人聽聞:熱力學第二定律最終可能決定人類文明的命運
    經典熱力學主要由19世紀的科學先驅,如克勞修斯、開爾文、玻爾茲曼和吉布斯等人發展而來。它主要處理平衡系統中的問題,可以根據一系列略有不同的狀態,描述事物將會產生哪些非常複雜的變化。科學家們認為,對於今天的人類文明來說,熱力學定律非常重要,尤其是熱力學第二定律,它可能會最終決定人類文明的命運。簡單地說,熱力學第一定律的意思是,你不可能不勞而獲,即天下沒有免費的午餐。換句話說,宇宙中的物質和能源的總量是恆定的。熱力學第二定律可以算是最有趣、最有深意的,它的意思是說,宇宙中熵(代表無序或混亂)的總量總是增加的。
  • 你了解熱力學第三定律嗎?它是否預言了宇宙終將會走向「熱寂」?
    瓦爾特·能斯特的肖像熱力學是物理學中被廣泛研究的一個重要分支。不同於令人頭大的機械工程,熱力學在生活中的應用是非常廣泛的,小到空調製冷,大到工業革命的標誌-蒸汽機,其工作機制均受熱力學三大定律支配。熱力學定律規定了做功、熱量和能量是如何影響一個系統的。
  • 熱力學第二定律,揭示出自然法則,或許暗示了人類的結局!
    熱力學第二定律,揭示出自然法則,或許暗示了人類的結局!人類誕生以來,就經歷了各種各樣的文明時代,從原始的採獵生活,到有了分工和階級的氏族,人與動物最本質的區別,其實是人類不必像其他動物那樣,遵循著「物競天擇」的法則。
  • 第四節 熱力學第二定律
    (2)熱力學第二定律的兩種表述的理解.【解析】由熱力學第二定律的開爾文表述可知A對.熱機效率總低於100%,B錯.滿足能量守恆的過程未必能自發進行,任何過程一定滿足熱力學第二定律,C錯.由熱力學第一定律ΔU=W+Q可知,W>0,ΔU不一定大於0,即內能不一定增加,D錯.
  • 熱力學第二定律,至今還有值得思考的地方,你認為呢?
    【克勞修斯表述】熱力學第二定律:不可能製成一種循環動作的熱機,從單一熱源取熱,使之完全變為功而不引起其它變化。【開爾文表述】熱力學第二定律:孤立系統的熵永不自動減少,熵在可逆過程中不變,在不可逆過程中增加。
  • 熱力學第二定律發現了一個漏洞!
    科學家以公式來表示一個數學定理,顯示牛頓第二定律可能至少有一個漏洞。2. 這項發現可能為未來的發現提供依據,也許讓我們能夠在遠端驅動裝置。熱力學第二定律的漏洞違反定律        熱力學第二定律陳述在一個孤立系統內的熵總是在增加,這個堅固的定律一直維持是真的有很長一段時間。
  • 「熱力學與時間」系列之六:時間的開始與終結和熱力學第三定律
    彭若斯提出了「宇宙監督假設」,用以禁止「裸奇點」的出現,以保證我們生活的時空有良好的因果關係。注意到裸奇點出現時,黑洞的溫度會處在絕對零度,因此,我們推測,這位「宇宙監督」很可能就是熱力學第三定律。那麼是否可以進一步認為熱力學第三定律——絕對零度不可達,意味著時空不存在奇點,即時間既沒有開始也沒有結束呢?本文將對這一問題進行探討。