熵:傷腦筋的熵|賢說八道

2020-12-03 返樸

本文為《物理學咬文嚼字》027,原名為熵非商-the Myth of Entropy。熵是溫度關於能量的共軛量,脫離溫度理解熵,難免不著邊際。此次趁同「什麼是溫度?」 一起發表之機,又增添了兩條補綴。

撰文 ∣ 曹則賢(中科院物理研究所研究員)

道可道,非常道;名可名,非常名。——老子《道德經》糟粕所傳非粹美,丹青難寫是精神。——王安石《讀史》

摘要:就不易理解和容易誤解這一點來說,entropy是非常特殊的一個物理量。Entropy的本意是一個同能量轉換相關的熱力學廣延量,中文的熵,或熱溫商,是對克勞修斯公式形式上的直譯。Entropy是一個具有深遠意義的基礎概念,量子力學以及後來的通訊理論都得益於熵概念之上的深入研究。

熱力學(thermodynamics)是大學物理教育中不可或缺的一門基礎課,我印象中這是一門教的人和學的人都倍感困惑的課程。我在德國鄉間一所大學讀書的時候,在機械系一間實驗室的窗框上讀到過這樣的一段話,原文記不住了,大意是「熱力學是這樣的一門課:你學第一遍的時候覺得它挺難,糊裡糊塗理不清個頭緒,於是你決定學第二遍。第二遍你覺得好像明白了點什麼,這激勵你去學第三遍;第三遍你發現好像又糊塗了,於是你只好學第四遍。等到第四遍,well,你已經習慣了你弄不懂熱力學這個事實了。」 我一向認為笑話也是來自生活的,所以看到這段話我會心一笑。別人怎麼回事我不知道,反正熱力學於我來說大約就是這麼樣的困難。況且,人家說這話的時候讀的是自己的先輩克勞修斯(Rudolf Clausius)、 玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)、普朗克(Max Planck) 等熱力學奠基人用自己的母語撰寫的書,而我們讀的卻是物理教師用中文轉述或編或湊的課本。你會發現中文熱力學教科書熱衷於在那兒來回搗鼓麥克斯韋(James Clerk Maxwell)關係式,但到底那些微分表示在什麼情況下才是真正有意義的物理量,一個麥克斯韋關係表示的是什麼物質體系的哪些物理量在什麼條件下的關聯,作者們似乎懶得理會。甚至各種自由能啊熱力學勢啊是針對什麼樣的體系提出的,是否都是基於同樣地也需要證明和辯護的熱力學第二定律,也是一筆糊塗帳。至於一百多年前一幫子英國人、法國人、德國人是如何艱難地憑經驗構造熱力學的,熱力學如何導致量子力學關鍵概念的產生和薛丁格(Ervin Schrdinger)方程的推導,熱力學又是如何發展成了統計力學的,這些問題更是鮮有提及。而熱力學就一直這樣被恐懼著、誤解著,它在整個物理學體系中的重要性也未能得到充分的強調。

如果要給熱力學指定唯一的關鍵詞的話,筆者以為最恰當的是entropy (漢譯熵)。熵是一個體系之作為熱力學體系所特有的廣延量,是熱力學的靈魂。可以說,如果一個體系的物理學描述不出現熵這個物理量,它就不是一個熱力學的問題。熵是和溫度相聯繫的,實際上溫度是熵關於能量的共軛,但溫度並不總是可以定義的(1)。一般的印象是,所謂研究物質的熱力學性質就是研究物質的某些特性隨溫度的變化,這裡的一個未明言的假設(tacit assumption)是,我們關切的是一個同熱庫取得熱平衡的體系,赫爾姆霍茲(Hermann von Helmholtz)自由能是描述體系的合適的熱力學勢(2)。這樣做的好處是,溫度是一個可操控的外部控制參數。溫度一般會被混同於冷熱的感覺,溫度的概念比熵出現得早,但並不是說溫度就比熵是更基本的。人們之所以把熱力學性質看成是物理性質對溫度的依賴而不是表達成同熵的關聯,筆者揣測是因為人們還不習慣於面對熵這樣的emergent的概念 (見下文)。熵是一個非常獨特的概念,就不易理解和容易誤解這兩點來說,在整個物理學領域,熵都是鮮有其匹的一個詞。

Entropy的概念是1865年克勞修斯正式引進的一個關於熱力學體系的態函數,用來表述熱力學第二定律,其本意是希望用一種新的形式來表達熱機在其循環過程中所要滿足的條件。考察一個閉合的過程,有

,其中dQ是流入系統的熱量,T是絕對溫度。對於可逆過程,有

。這說明對可逆過程,從狀態A到狀態B,不依賴於路徑,有

,所以說S是一個狀態函數。實際上,無論循環是否是可逆的,在循環結束時,「工作介質」是恢復了原狀的。針對一個熱力學體系,總可以定義這樣的狀態函數 S,它是一個廣延量,一個對氣體、磁體、電介質來說是共性的東西。因為這個新物理量是同能量在物理意義上密切地聯繫在一起的(these words are so nearly allied in their physical meanings),克勞修斯參照能量(德語die Energie)和轉變(trope),構造了一個和能量字面上貼近的新詞entropy,意指這是一個描述能量轉換的新概念。克勞修斯的原文中用它來表示「轉變的內容」 (Verwandlungsinhalt) [1]。Trope(希臘語τροπ, transformation)這個詞有轉變、朝向的意思,由它構造出來的isotropic (各向同性的)也是描述物質性質的常用詞. 此外,heliotropism (helio+trope, 向光性,轉向太陽) (圖1)和geotropism (向地性) 也有助於對entropy的理解。Trope還有迴轉(turning)的意思,這從 Tropic of Cancer (北回歸線)和Tropic of Capricorn(南回歸線)兩個詞中可明顯看出。

圖1 向日(heliotropic)葵是trope這個詞的圖解。

Entropy 一詞傳入中國,據文獻說是在1923年5月25日。I. R.普朗克 (原文如此)來南京講學,在南京東南大學作《熱力學第二定律及熵之觀念》等報告,胡剛復教授為普朗克做翻譯,首次將entropy譯為熵 [2]。其根據是公式 ds=dQ/T,因為是熱力學概念,從火;此表達式又是個除式,為商,故名為熵!文獻[3]中有 「濮朗克教授(是否Max Planck待考)……講 『熱學之第二原理及熱溫商(entropy) 之意義』」的說法, 但也未敢斷言。筆者未能找到胡剛復教授翻譯entropy的確切中文文獻記載。此外,筆者印象中德國物理學家名普朗克的對熱力學有貢獻的科學家就是Max Planck,雖然普朗克被認為是量子概念的創始人,但普朗克常數卻是研究熱力學的結果。筆者翻閱德國物理學會紀念普朗克誕辰150周年文集[4]和普朗克傳記[5],也未見提起1923年曾訪問中國一事。Entropy如何轉變成了中文的「熵」, 這一點還盼國內科學史家詳加考證。

中文熵,或曰熱溫商,確實易讓人聯想到除式 ds=dQ/T 而非能量轉換的內在問題。此公式是計算工具,卻不是entropy 的定義。若由熵,或熱溫商,來理解entropy,難免誤入歧途。其根據積分公式而來的漢譯有其歷史的合理性,但從根本上來說卻是錯誤的,似乎熵的定義或計算依賴溫度的存在。熵是比溫度更基本的物理量,對溫度無從定義的體系,熵一樣是可定義、可計算的。雖然歷史上是由熱力學第二定律導致了熵概念的引入,但熱力學的敘述卻可以從一開始就引入熵[6]。歷史的發展方向常常和自洽理論的結構不一致,這一點應該不難理解。

U=U(S, V, N, P, M, ……),其中熵S、體積V和粒子數N對應的強度量分別是溫度T、壓強p和化學勢μ,是體系的內在性質;而電極矩P和磁矩M對應的分別是外加電場和磁場。理解熵的第二個要點是它是一個emergent 物理量。Emergent本意是冒出來的、突然出現的;emergent物理量是指粒子數增多到某個臨界值以上才出現的物理性質,同動量、能量這種對單個粒子也能很好定義的物理量相映襯。實際上,體積、壓強也是emergent 物理量,熵並不比體積或壓力是emergent更難理解。對於少粒子體系來說,粒子在容積為V的約束空間中遊蕩,我們很少會把一個大的真空室當作是幾個分子氣體體系的體積。只當分子數足夠多的時候在整個約束空間的每個小區域內的分子密度,或該空間區域被粒子訪問的頻率,都是抗漲落的(即漲落不對宏觀性質產生可感知的影響),我們才把約束空間當作氣體體系的體積。同樣,對於幾個粒子組成的體系,約束的表面會不規則地受到來自粒子的碰撞,但還沒有壓力的概念。只當分子數足夠多的時候在整個約束面上的任意小鄰域內單位時間得到碰撞的動量傳輸是抗漲落的,我們才把約束空間受到的碰撞籠統地用氣體體系的壓力來表徵(圖2)。熱力學不習慣從一開始就用S作為與V,N等同身份的基礎變量來書寫,可能是人們還不習慣於處理熵這樣的比體積更不直觀的emergent物理量。但近幾年來emergent phenomenon(3)(呈展現象) 的研究得到廣泛的重視[7],連引力也可從呈展現象的角度看待[8],相信從一開始就用S,V, N展開熱力學討論的書籍會很快面世。這樣的熱力學,如同有人對經典力學做過的那樣,是用一張PPT就能說清楚了的。

圖2 氣體的體積和壓強,一樣都是只當粒子數足夠多的時候(右圖)才是完好定義的物理量。

熱力學很大程度上給人以經驗(empirical)科學的印象,時至今日許多教科書都直白地表露這一點。為了給熱力學奠立堅實的理性的基礎,其中至關重要的一點是如何理解不可逆性或熱力學第二定律,玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)為此進行了艱苦卓絕的探索[9]。篇幅所限,不能詳述玻爾茲曼的工作,此處僅指出玻爾茲曼基於原子假設,把事件的不可能性(impossibility)表述成了相應體系狀態的極小概率(improbability)。他的偉大之處在於在1872~1875年間給出了熵的定量表達,1900年普朗克將它寫成我們現在熟知的形式 S=k logW(圖3), 其中W應被理解為同體系熱力學變量相恰的宏觀狀態數(W is the number of quantum states of a macroscopic system compatible with the thermodynamic variables prescribed for the system.[10])。不過,這裡有個誤解。用在這裡的W是德語概率Wahrsheinlichkeit的首字母,狀態數和某個狀態出現的概率是倒數關係,故此公式中的W是理解為狀態數還是概率問題不是太大,只相差一個負號。後來出現的吉布斯(J. Williard Gibbs)熵、香農(Claude Shannon)的信息熵 (見下文),其定義都是基於概率的概念,所以都有一個負號。因為利用狀態數有其便利的一面,為避免混淆,一些統計力學書中把熵公式寫成 S=k logΩ的形式,用Ω表示同宏觀狀態相恰的微觀狀態數。這個熵公式的美妙之處在於,若體系的狀態數或機率具有可分解性 (factorizability),這在經典熱力學和古典概率中是得到滿足的,則熵應有可加性,這是熵作為一個熱力學的廣延量必須具備的性質。考察這部分內容時,筆者有了「物理學唯賴天成」的感覺。熵公式是為了應付計算階乘,factorial,的麻煩,被鬼使神差地通過近似引導到對數函數的形式上的。而經典概率的可分解性, factorizability, 恰恰通過對數函數保證了熵的可加性。奈何天意乎?

而這般得窺天機的工作,是要耗費心血甚至要以生命為代價的。玻爾茲曼的工作建立在原子論的基礎上,而1900年前後人們還沒有能力看到原子,對原子論的懷疑或責難也算情理之中的事情,這裡面尤以馬赫的名言 「Haben Sie mal Atom gesehen(您見過原子嗎?)」為代表。1906年,飽受壓抑之苦的玻爾茲曼自殺身亡。巨星隕落,為後人留下無限的哀思。80年後,人類終於能夠從圖像上分辨出單個原子。

圖3 維也納中央公墓樹立的玻爾茲曼的胸像。

熱力學長期被看作是一門普通物理課,對近代物理中的量子力學、固體量子論等同熱力學的淵源卻強調不足。許多人印象中, 普朗克是量子力學的創始人,實際上他把一生都獻給了熱力學(圖4)。2008年,德國物理學會紀念普朗克誕辰150周年紀念文集之一的題目就是「獻給熱力學的一生(Ein Leben für die Thermodynamik)」 (見文獻[4],p39)。愛因斯坦因對相對論、量子力學的貢獻聞名於世,實際上他關於布朗運動和金剛石比熱的工作已盡顯大家風範,後者開啟了固體量子論這門學科。熱力學才是一門高深的、又要求修習者具有天分的學科!

這個公式很好地擬合了黑體輻射的實驗數據。這個公式公開幾天之後, Kurlbaum就得出了h=6.65×10^-34Js。這時的 「h」 就是一個常數,它的量子力學意義是後來被賦予的。注意,公式(3)同現在的黑體輻射公式相差一個常數2,因為那時人們沒認識到光子有自旋,更不理解光子的自旋為1為什麼意味著存在兩種(左旋和右旋)而不是三種模式。有趣的是,1924年,玻色(S. N. Bose)推導黑體輻射公式就暗含了光子有兩種(以上)模式[12],所用方法就是玻爾茲曼曾採用的計算將N個全同粒子分配到不同狀態上之可能狀態數的那一套。

圖4 普朗克和他的著作《熱力學教程》。

圖5 維也納大學擺放的薛丁格胸像。容易看出同玻爾茲曼塑像的相似性。是對師承關係的隱喻還是源於同樣的維也納設計風格?

熱力學的另一個延伸是由香農於1948年做出的[17]。參照1878年吉布斯給出的熵表達式

,其中pi 是微觀狀態「i」 在系統漲落中出現的機率,香農提出了信息熵 (一種關於事件發生的不確定性的度量,a measure of uncertainty)的定義

,它反映了「發生概率越小的事件其發生包含越多的信息」的思想。香農信息熵的定義讓信息的定量化成為可能,成了通訊理論的基礎。

熱力學第二定律將熵推到了作為熱力學系統演化方向判據的位置:對於一個孤立的體系,體系的熵恆增加。熵增加意味著系統可能的狀態數的增加,因此直觀上熵增加就和系統的無序聯繫了起來。但是,熵同無序度之間的關係卻存在誤解。所謂熵增加對應狀態數的增加,但狀態數是相空間裡的概念,並不必然地同坐標空間裡的、視覺上的從有序到無序的變化(圖6)相一致。熵增加在坐標空間中可能表現有序來,比如一定條件下小水珠會聚集成大水珠。另一個值得注意的現象是,系統某個自由度上的熵的減小可能換來系統總熵的增加,但那個自由度上熵的減小所對應的有序,因為視覺上較明顯容易讓人誤以為整個體系變得有序了。比如由棒狀單元組成的系統,像類似細火柴棒的絲狀液晶 (nematic liquid crystal),水面漂浮的竹排(圖7),夏天廣場上躺著納涼的人群,這些體系沒有位置有序(positional order)但可以自發地表現出長程的取向有序( long-range orientational order),因為沿著長軸方向的取向有序可以在橫向方向上換來更大的活動自由,這顯然是符合熱力學第二定律的. 這種連江上放排的老鄉都知道的事實,即體系一個自由度上熵的減小會換來其它自由度上熵的大增,卻被一些科學家冠上了「熵驅動的有序(entropy-driven order) 」這樣一個誤導性的名稱,實在匪夷所思。

圖6 從有序到無序作為自發過程的例子。

圖7 水面漂浮的竹排(左)和絲狀液晶模型(右)。沿著長度方向的有序換來橫向更大的活動自由,但特定自由度上的自發有序對應的仍是體系的熵增加。

熵增加過程被認為是體系的自發過程,它規定了時間的箭頭。是不是熵減少的過程絕對不會發生呢?有一種觀點認為答案是否定的,否定來自龐加萊 (Henri Poincaré) 1890年發表的循環定理 (recurrence theorem) [18]。考慮一個佔據有限體積,能量有限的系統,龐加萊循環定理說,無論你的初始態如何,只要你等足夠長的時間,系統會回到任意靠近這個初始態的一個態。既然是相空間的構型經過一個過程回到原點,則必然既有熵增加的時候,也有熵減小的時候,這和熵增加原理似乎存在不可調和的矛盾。筆者以為這個所謂的矛盾有關公戰秦瓊的味道。龐加萊循環定理中描述經典力學運動的時間,同牛頓絕對時間一樣是個數學的參數 (重要的是,不同理論中的時間是否同一是個可存疑的問題[19]。至少,我們還沒有絕對溫度意義上的絕對時間),在這個力學體系裡,沒有引入熵這個呈展的廣延量,至少是未指明如何引入的。因此這個矛盾根本不成立!筆者這個觀點是否正確,請方家指教!實際上,力學描述如何引入熵這個概念,而後才能共同建立起對體系的熱力學描述,是理解統計力學的一個非常關鍵的問題。遺憾的是,這一點在教科書裡很少有人交代,筆者也一直未能讀到熱力學、統計力學奠基人在這方面的描述。筆者注意到,統計力學自Hamiltonian力學出發(請讀者回顧一下正則系綜的內容),是在構造配分函數

時手動添加進(inserted by hand)熵的共軛量溫度(β=1/kT)的。這個配分函數的對數聯繫著體系的Helmholtz自由能F,而熵是由公式

才給出的[20]。這個做法,即熵作為溫度T的共軛量後給出,至少形式上會給人以熵的引入依賴於溫度的存在的印象。事實當然不是這樣。

熵這個概念雖然今天已被人們運用到了許多學科中去,但在關於熱力學的文本中人們對熵感到生疏的歷史痕跡依然還在。像玻爾茲曼常數,人們習慣用的物質比熱,本質上都是熵。在相變和臨界現象的實驗研究中,常見人們測量比熱卻不從熵的角度深入討論問題就是這種生疏感的表現。物理學研究固然需要以易測量的物理量來求得事實的佐證或應用的實施,但對於內涵的理解,還是應該建立在基礎概念上。熵的概念是一個豐富的礦藏,筆者未能窺其奧秘之萬一,且一篇短文也不足以描繪神龍之首尾。匆匆收筆,留待有機會時再論。

補綴

1. 所謂「普朗克」1923年訪華一事一直困擾著我,期間我曾託人到南京尋找原始資料未果。本文付印以後,自然科學史所的朋友來信指出,1923年訪華的「普朗克「應為Rudolf Alois Valerian Plank(1886-1973)。Plank出生於烏克蘭, 後曾在Dantzig (原屬東普魯士,現屬波蘭)工業大學擔任熱學教授,在德國Karsruhe工業大學擔任機械學教授,1956年曾任美國哥倫比亞大學客座教授。Plank 長期致力於熱力學研究,1949年創辦《製冷技術》雜誌,其1925年獲得Karsruhe工業大學教授職位所作的升職報告的題目就是「熵的概念(Begriff der Entropie)」。在一篇題為 「我們不可以忘卻德國『深度製冷之父』(Vergessen wir den deutschen 「Vater des Tiefgefrierens」 nicht!)」的文章(Tiefkühl Report 11 (2008) p. 8 )中,我找到了這樣的一句話: 「他(Plank)那時甚至已經同中國有了聯繫(Und er knüpfte damals schon Verbindungen sogar bis nach China」),可算是Plank曾來華的比較可靠的證據。

再後來,馮端先生託人來信,指出他書中的 「I. R. 普朗克」,其中的「I」實際上德語Ingenieur(工程師)的首字母 (德國有在名字前加上Prof. Dr. Ing. 頭銜的習慣),可能當時的文獻就造成了訛錯。可以這樣猜測,Plank來華時的名帖可能是Prof. Dr. Ing. Rudolf Plank, 其全名被國人給理解成了 「I. R. 普朗克」。

關於 Rudolf Plank訪華的細節,《物理》雜誌2010後半年有一篇文章詳細論述。

2012年,此文入選《物理》雜誌四十年經典,筆者應邀專門撰寫了一段回顧,照錄如下:

Entropy 變成熵的考證

初學熱力學,知道了熵這個概念,後來又學了entropy/Entropie,但對西文的Entropy如何轉化成了中文的熵,倒也沒當作一回事。然而。期間慢慢感覺到,從熵,即熱溫商,ΔQ/T,去理解entropy是有問題的,於是有了要理清entropy 概念如何傳入中國的想法。讀馮端先生《熵的世界》一書,中有「1923年,I. R.普朗克來中國南京講學,著名物理學家胡剛復教授為其翻譯時,首次將『entropy』翻譯成為『熵』」一段。普朗克的字樣易讓人想起提出量子論的普朗克,但那人德語原名為Max Planck,且Planck傳記中從未提及他來過中國一事。於是,我向劉寄星教授請教I. R.普朗克為何人,劉寄星教授讓我找趙凱華教授《北大物理九十年》一書,發現那裡有「濮朗克教授(是否Max Planck待考)與1923年5月29日至6月1日在北大理學院大講堂和國立工業專門學校講:『熱力學之第二原理及熱溫商(entropy) 之意義』,『Nernst熱論』……」的字樣,可見趙凱華先生對此事也不知情。託朋友查南京的老檔案,未果。後來,我同科學史所方在慶研究員說起此事,方在慶研究員用翻閱德國電話黃本的方法,檢索發音接近普朗克的物理學家的姓名,找出了1923年訪華的普朗克為Rudolf Alois Valerian Plank(1886-1973)。Plank出生於烏克蘭,後曾在Dantzig (原屬東普魯士,現屬波蘭)工業大學擔任熱學教授,在德國Karsruhe工業大學擔任機械學教授,1956年曾任美國哥倫比亞大學客座教授。Plank 長期致力於熱力學研究,1949年創辦《製冷技術》雜誌,其1925年獲得Karsruhe工業大學教授職位所作的升職報告的題目就是「熵的概念(Begriff der Entropie)」。後來,我在2008年的深度製冷雜誌(Tiefkühl Report )上找到了關於Plank的介紹,其中有「Und er knüpfte damals schon Verbingdungen sogar bis nach China(他那時甚至把關係建到了中國)」一句,算是Rudolf Plank來華的重要證據。馮端先生一書中的「I. R.普朗克」,應是當年的報導錯把頭銜 「Prof. Dr. Ing.」 中的Ing. (Ingenieur, 工程師) 當成名字造成的。我把這些內容報告給了劉寄星教授和趙凱華教授,他們覺得這件事算是有了著落。後來,劉寄星教授還專門委託首都師範大學研究歷史的同仁翻出了1923年的老報紙,研究了Plank 1923年在中國的活動,結果發表在《物理》雜誌2010年第8期上。至此, entropy如何變成熵的考證活動,終於塵埃落定。

關於entropy 如何變成熵的這段考證經歷,讓我有一個感慨,就是關於如何在中文語境中嚴格正確地表達和理解物理學,我們還缺的太多。像Rudolf Plank 這樣被稱為「深製冷之父 (Vater des Tiefgefrierens) 」的著名物理學家,我們竟然根本不知道此人且長期滿足於不知道此人,說明我們的物理學,包括物理學研究和物理學教育,確實欠缺點兒什麼。當然, entropy有比熵更多的內容,需要我們仔細體會。

——曹則賢 2012.1.19

2. 在Karl Popper的Unended Quest, Routledge, London (1992), 一書中, 有觀點認為信息是負熵(information=negentropy),熵意味著缺乏信息(lack of information), 不知道(nescience)。信息熵借用了物理學熵的概念,但似乎不應該當做一回事兒。

3. 著名的熵公式 S=k logW 是柏林大學熱力學老師普朗克先寫出來的。

4. 維恩1894年的文章「輻射的熵與溫度」 (Wilhelm Wien, Temperatur und Entropie der Strahlung, Annalen der Physik 288 (5), 132–165 (1894)) 應該是一篇物理學經典。在這篇文章中維恩指出,對於黑體輻射,ν/T是不變量。這篇文章對普朗克1900年的革命性工作有多大影響,不得而知。

注釋

(1) 設想將一盆熱水傾倒到一盆冷水中,此時刻體系是不好定義溫度的。——筆者注。

(2) 確切地說應是內能U關於ST以及其它的共軛熱力學量對 (比如電場E和電極矩P)作勒讓德變換以後得到的恰當的熱力學勢,這排除了焓(enthalpy)這樣的不含U關於ST的勒讓德變換的一類熱力學勢。根據研究體系的不同,熱力學勢有很多。——筆者注。

(3) Emergent phenomenon目前被暫譯呈展現象。關於這個問題,將來在請教相關專家後再另文討論。——筆者注。

(4)為準備2008年夏季的量子力學系列講座,筆者仔細地閱讀了這兩篇論文。不得不說的是,在仔細閱讀了這兩篇論文以後,我個人認為薛丁格推導波動方程時的跳躍可能依然是量子力學的硬傷。——筆者注。

(5) 筆者1984年秋開始學習量子力學課程,記得上來就是

,完全不知道這方程還可以是湊出來的,也完全不知道這方程和理論力學課是一脈相承的,也不知道薛丁格自己時常按照經典的擴散方程來類比地看待他的方程。這門課是如何過的,我一直不能回憶起來。——筆者注。

參考文獻

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註:本文為曹則賢著 《物理學咬文嚼字》第27篇,原題為《熵非商》。

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    接下來,就能以熟知的方式計算系統的熵和溫度了。首先,系統的熵為 , (4)注意這裡普朗克使用了新的熵表達式,p是概率,一般教科書稱之為Gibbs 熵。根據(2)式, 得. (5)或者考慮到 (3)式,(5)式可改寫為 (6)那麼,由此可得出溫度 (注意,這裡是熵對平均能量的微分。這一時期的文獻還有寫成熵對能量微分的。
  • 熵的世界你不懂?----熵的概念辨析(1)
    (不要給提熵,提起熵,我就傷腦筋,腦子裡的熵就增大了,腦子裡的混亂度增大了,腦子就成漿糊了。傷腦筋。)熵的定義式:這個克勞修斯提出的熱力學狀態函數。克勞修斯在造這個字的時候,就取了「轉化」(tropy,源於希臘文)和「能量」(energy)的組合。
  • 理解熵、交叉熵和交叉熵損失
    交叉熵損失是深度學習中應用最廣泛的損失函數之一,這個強大的損失函數是建立在交叉熵概念上的。當我開始使用這個損失函數時,我很難理解它背後的直覺。在google了不同材料後,我能夠得到一個令人滿意的理解,我想在這篇文章中分享它。
  • 全球熵ETV 什麼是熵 解析entropy熵的概況 如何理解熵原理與熵增定律
    19世紀 中期德國的著名物理學家和數學家克勞修斯在全世界第一個真正提出entropy熵的概念,克勞修斯是全球公認的熱力學理論奠基人,分子運動理論奠基者。熵是表徵物質狀態的參量之一,物理意義指複雜,無或者混亂的度量。2 如何理解熵原理與熵增定律?
  • 一個系統:開放-封閉、熵-負熵、熵增-熵減、熵死-負熵活!
    一個系統要實現其自身的功能就要消耗掉能量,一個封閉的系統,如果不與外界發生能量的交換,這個封閉的系統,因為它會」熵增「,熵就會一直變大,直至熵變到最大之時,此時這個系統,它的內部就達到了平衡態,它的內部沒有能量流動,此時就是熵死了,想像一下,水流到最低處時,達到了平衡,沒有流動,那種止水,也即死水,就是熵死了。
  • 到底什麼是「熵」?----熵的概念辨析(5)
    到底什麼是「熵」? 以前的介紹:熵的世界你不懂?----熵的概念辨析(1)熵(傷)腦筋?
  • 什麼是熵?
    雷鋒網 AI 科技評論按:「熵」大概是統計學、信息學裡最讓初學者愁腸百結的基本概念之一。我們都知道熵可以用來描述含有的信息豐富程度的多少,但是具體是怎麼回事呢?這篇文章中雷鋒網 AI 科技評論將帶大家重新系統認識一下「熵」倒是在講什麼。假設你在醫生辦公室中與三個等待的病人交流。
  • 深究熵的概念和公式以及最大熵原理
    」我研究生是學通信的,香農定理瞭然與胸,後來任正非提出組織熵減,又重新認識了這個字「熵」。下面的文章只從網上搜到的深度學習筆記熵這一部分,熵和深度學習有啥關係,信息?在機器學習算法中,最常用的優化方式就是使熵最大,那麼到底什麼是熵呢?
  • 熵與商
    呼吸都會產生熵,生命當以負熵為食。愛因斯坦說,熵理論在科學界是國士無雙的第一法則;貝佐斯說,我們要馬不停蹄的反抗熵;彼得德魯克說,管理就是和熵進行破釜沉舟的對抗。
  • 熱力學熵:克勞修斯
    我們來簡單看一下玻爾茲曼熵表示的意義。假如有這麼一個箱子,裡面有黑白兩色小球。我們不妨設想兩種情況,一種是兩色小球很自覺地分別在箱子的左右兩半集合,另一種是兩色小球雜亂的分布在一起。很顯然,第二種情況允許的可能性更多一些,熵也就要大一些。但既然玻爾茲曼熵也是熵,那麼就一定和克勞修斯熵滿足同樣的熵增定律。
  • 高熵合金
    高熵合金具有單一的晶體結構。大量的試驗證實,高熵合金可以形成單一的體心立方或面心立方結構相或者體心立方面心立方簡單的混合相結構。高熵合金在鑄態和完全回火態會析出納米相結構甚至非晶質結構。當高熵合金熔化時,所含元素原子混亂排列,在冷卻凝固過程中,因涉及各主元素眾多原子的擴散再分配,將阻礙晶體的形核和生長,因此,有利於納米相的形成。
  • 熵到底是什麼?
    熵在現代科學中有點流行。通常,它被用作"障礙"的代名詞,但是比這更有趣。這個概念本身有著悠久而有趣的歷史。為了完全理解熵是什麼,我們確實需要查看熵的來源。熵的概念的第一個暗示是拉扎爾·卡諾(Lazare Carnot)提供的,最著名的是他研究引擎並領導法國革命軍的工作。
  • 宇宙中的「熵」到底是什麼?又是什麼能量控制著「熵」?
    但如果按照科學家的理論來講,宇宙的終極或許就是一個叫做「熵」的東西。「熵」是什麼?大部分人不知道「熵」是什麼。而「熵」的概念又異常的強大且不那麼容易理解。在19世紀初期,物理學家們發現,使得世界運轉的動力是能量,並且成功地發現了能量守恆定律。既能量的總和是不變的。
  • 宇宙的終極是熵?你知道熵是什麼嗎?
    那就是「熵」。什麼是「熵」呢?這個詞的解釋異常複雜,希望你能靜心看完。在19世紀初,科學家們發現了能量守恆定律。並且明確表示這個世界運轉的動力就是能量。熵,也就在這一次次的嘗試中誕生了。科學家們將那些在轉換過程中浪費掉的,無法再利用的能量,稱之為"熵"。最後它還被總結成了熱力學第二定律:即能量轉換永遠會產生熵,而所有"事物"最終都會趨於熵值最大化。
  • 「熵」定律及其演變
    熵,是用以表示某些物質系統狀態的一種量度,或者是用以描述一個弧立系統中物質的無序程度。熱力學第二定律指出,宇宙中的熵在不斷增加,意味看越來越多的能量不能轉換為有效能量,於是一切運動過程終將終止,宇宙將走向「熱寂」,難怪人們把熵定律稱為死亡定律。
  • 「熵」是什麼,是宇宙的基本原則,生命的存在就是為了對抗「熵」
    「熵」是什麼東西,有一部分接觸過這次,但是還是很多人甚至沒有聽說過個這個詞,簡單的說熵是混亂程度的單位。什麼是混亂程度呢,簡單的說,一個系統擁有的信息越多就越混亂,越難以被表達,就越混亂。熵告訴我們任何事物都將從有序變為混亂,我們人類也是如此。
  • 幾乎支撐著科學的半壁江山的「熵」到底是什麼?深入討論熵理論
    為了完全理解熵是什麼,我們需要知道它是從哪裡來的。最早提出熵概念的是拉扎爾·卡諾,他以研究發動機和領導法國革命軍而聞名。拉扎爾對輸入系統的功和輸出系統的功的比較之間的關係非常感興趣。他把輸出的功稱為「有用的功」,而把損失的功稱為「轉換能」。這就是後來的熵。薩迪·卡諾他的兒子(薩迪·卡諾)繼續老卡諾的工作,研究發動機。
  • 我對熵原理的理解
    生活中的很多現象,比如:懶散容易自律難,放棄容易堅持難,變壞容易變好難,拖延容易行動難,邋遢容易整潔難……這些現象都和熵增加原理有關。就好像面對一個沙堆,我們可以隨意更改變沙堆的「形狀」,但不管組成哪種形狀,構成沙子的「結構」不會發生任何改變,從熵的意義上講,這個沙堆(泛指一切自然形成的沙堆,大同小異)的熵值很高。