#熱力學與能量守恆

2021-01-20 麥田 YOUTH


熱力學第二定律告訴我們時光機是不可能造出來的,自然界存在著一些不可逆的過程。物理學家定義了「熵」這個概念來描述宇宙在給定時刻的無序程度。根據熱力學第二定律,隨著時間流逝,熵值總是增加的。即使黑洞也遵循這一定律的某個版本。黑洞的熵值與其事件視界的面積成比例。換句話說,黑洞的表面積,和黑洞外所有物質的熵值,都會隨時間增加。用來描述黑洞熵值的公式由雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和史蒂芬·霍金共同提出,被稱為廣義第二定律(Generalized Second Law,GSL)。在我的論文中,我從數學上證明了GSL具有普遍的適用性。但是還有很重要的一點,那就是你不需要用黑洞來論證視界的熱力學。這個結論適用於所有的觀察者。如果某一區域永遠在某人的視野之外,那麼這一區域就在這名觀察者自己的視界外。完全不需要提到黑洞。例如,如果你坐在一艘加速飛行的宇宙飛船裡,那麼只要你的領先得足夠多,那麼有一些光線將永遠不會追上你。這些光線就在你的視界之外。這種視界被稱為Rindler視界。在宇宙學中也會發生類似的事情。宇宙的膨脹是不斷加速的。這就意味著如果另一個星系離我們足夠遙遠,那麼無論等待多長時間,我們都永遠無法觀測到它。這種現象被稱作宇宙視界或者de Sitter視界。在你生命中的每一個瞬間,你都會進入某個遙遠星球上生活著的外星人的視界。但是令人驚訝的是,和黑洞一樣,所有這些不同種類的視界都遵循熱力學第二定律。這與如何定義視界無關。這些視界面和觀察者能看到所有物體的熵值,都會隨著時間而增加。廣義第二定律依然適用。編譯自:ScientificAmerican,Time Machines Would Run Afoul of the Second Law of Thermodynamics[Guest Post]路德維希·愛德華·玻爾茲曼(德語:Ludwig Eduard Boltzmann;1844年2月20日-1906年9月5日)是奧地利物理學家、哲學家。作為物理學家,他最偉大的功績是發展了通過原子性質(如原子量、電荷量、結構等)來解釋預測物質物理性質(如黏性、熱傳導、擴散等)的統計力學,並且從統計概念出發,完美闡釋了熱力學第二定律。玻爾茲曼最重要的科學方面的貢獻是分子運動論,其中包括研究氣體分子運動速度的麥克斯韋-玻爾茲曼分布,基於經典力學的研究能量的麥克斯韋-玻爾茲曼統計和玻爾茲曼分布。它們能在非必須量子統計時解釋許多現象,並且更深入的揭示了溫度等熱力學系統的狀態函數的物理意義。當時多數物理學家並不像他一樣深信原子和分子的切實存在。而蘇格蘭的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和美國的約西亞·吉布斯,以及自約翰·道爾頓1808提出原子論來的大多數化學家卻深信原子和分子的存在。玻爾茲曼和當時德國首級的物理學刊物的編輯進行了曠日持久的爭論。這些編輯只是將原子和分子當作方便的理論模型而並不願將它們與現實聯繫起來。在玻爾茲曼去世後數年,讓·佩蘭在阿爾伯特·愛因斯坦1905年的研究基礎上對於膠體懸浮物的研究(1908–1909),測定了阿伏伽德羅常量和玻爾茲曼常數,並向世界證明了原子和分子確實存在。有很多人說,「熵增定律」是一個讓人絕望的定律,其實這個觀點並不正確,因為我們不能確定宇宙是一個封閉的系統,並且從熱力學第二定律中,還可以得到一個神奇的假設「玻爾茲曼大腦」。這個假設可以讓我們去從不同的角度去思考宇宙的本質。首先,時間的本質是什麼?我們認為時間的本質是物體的運動和能量的轉移,物體和能量絕對靜止時,就是我們所說的「時間停止」,但是時間流逝的方向是什麼呢?時間的正演和反演,都不會影響物理定律的正確性,而在熱力學第二定律,給出了時間的方向,那就是熵增的方向就是時間的正方向,如果時間是倒著流逝的,就會導致熵減,因此熱力學第二定律在一定意義上確定了時間的方向。了解時間的方向和熵增的基本原則,我們再來思考一個問題,假設宇宙在不斷的熵增,那麼在熵的漲落中,產生一個人類這樣具備自我意識生物的概率有多高?答案是很低很低,大約只有10的負100次方,這是一個十分恐怖的數字,而人類這樣的生物,是高度低熵的狀態,會以負熵為食,不斷的進食來保證自己處於低熵的狀態。


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