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一条让人绝望的物理定律,物理学家:宁愿没发现它

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火星一号 2021-05-09 17:07
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没有物理学,就不会有现代科技文明。一代又一代的物理学家不断发现新的物理定律,并且加以利用,从而造就了现代科技的迅猛发展。如果要说哪一条物理定律最为强大、最具破坏力,大家首先会想到什么呢?

爱因斯坦的质能方程(E=mc^2)可能是很多人的选择,这条简洁的公式从相对论推导而来,它把能量(E)和质量(m)相互等价起来。由于真空中的光速(c)非常快,每秒将近30万公里,所以光速平方在数字上非常大,这意味着即便是一粒小小的沙子,本身也蕴含着极其庞大的能量。

基于质能方程,人类知道了敲开原子核,进行核裂变反应,可以获得巨大的能量,由此人类制造出了原子弹和核电站。而如果把两个较轻的原子核结合在一起,发生核聚变反应,可以产生更大的能量,由此人类制造了氢弹,也知道了太阳的能量来源是氢核聚变。

虽然核反应能够释放出巨大的能量,但无论是核裂变反应,还是核聚变反应,其质能转换效率其实很低。如果能够找到反物质,与正物质发生湮灭反应,可以把质量完全转化为能量。只要大约6.3吨的正物质和等质量的反物质发生湮灭,所产生的能量足够目前全世界的人类使用一年。

虽然现代物理学非常强大且有效,但爱因斯坦认为,无论是牛顿物理学,还是爱因斯坦的相对论,或者是主宰微观世界的量子力学,它们都存在局限性,未来将有可能被新的理论所取代。

然而,有一条物理定律却是亘古不变的,这就是熵增定律,它是热力学四大基本定律中的第二定律。这条物理学定律早在相对论之前就已经发现,但没有像其他物理定律那样广为人知。

事实上,熵增定律在宇宙中演化过程中极其重要。自宇宙从138亿年前创生开始,熵增定律就已经决定了宇宙必将走向毁灭。这条定律无疑让我们深深感到绝望,以至于一些科学家称宁愿不要发现熵增定律。那么,熵增定律究竟是怎样的宇宙法则呢?

首先,我们需要了解一下“熵”的概念,可以从两个方面来理解。其一,熵值用于表征一个系统中能够用于做功的能量多少,有效能量越多,熵值越低。其二,熵也能用于表征一个系统的有序程度,有序度越高,熵值越低。

举例来说,汽油燃烧之后,一部分能量用于做功驱动汽车前进,还有一部分转化为废热,这个过程有用能被消耗掉,且是不可逆转的,所以熵增是必然的。

作为熵概念的提出者,物理学家克劳修斯也给出了一个具有代表性的熵增现象,冰融化的过程,是水分子扩散的过程,水分子变得更加分散,混乱度变得越来越高,这意味着熵值增加。

在孤立系统中,熵增是必然的过程,不可能自发出现熵减的现象。虽然能量始终是守恒的,但有用能消耗掉之后,做功能力只会变得越来越差。孤立系统只会变得越来越混乱,不会自发变得有序。

但在局部,可以出现熵减,例如,空调制冷,低温环境把热量传递给高温环境;生命高度有序,始终处于低熵状态。这些熵减现象都会消耗有用能,从而导致整个宇宙的熵变得越来越高,熵增定律仍然占据支配作用。

宇宙的熵只会不断增加,但不会无限增大,而是会到达一个极限。到了那时,宇宙消耗完所有可用的能量,热量停止流动,宇宙停止运转,这就是熵增宇宙的注定结局——热寂。

不过,宇宙现在还很年轻,充满了活力,不断有新的恒星正在形成,宇宙热寂的时间最早也要在10^1000年之后才会到来。

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