学到热力学第二定律有种「悲从中来」的感觉,如何排解?

关于熵的定义问题,说错了好多,我已经修改过来了,对评论区的各位大佬一并表示感谢,很抱歉诸位。 以下是原回答。 何止是你啊,当年整个人类都感到了惶恐。 热力学第二定律最早由开尔文爵士和克劳修斯分别独立提出,他们俩人都是在研究卡诺定理基础上提出的,卡诺也是位奇人,有了成果从来不发表,让别人去他草稿中去翻,关键是还翻不到,开尔文爵士和克劳修斯都通过别人的论文理解卡诺的想法。 开尔文对热力学第二定律的描述是“不可能制成一种循环动作的热机,从单一热源取热,使之完全变为功而不引起其它变化”,换一种说法就是第二类永动机不可能建成。 克劳修斯对热力学第二定律的描述是“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。” 这就是所谓的热力学第二定律,听起来是不是有点象大白话啊,是的,就是大白话,所以热力学第二定律一直是民科的重灾区,动不动就会冒出一位大神来说自己推翻了热力学第二定律或者造出了永动机。 其中有一位研究永动机的大神我们很熟悉,就是淮海战役中的黄维,别人在功德林好好改造,他一心研究永动机,这种科学精神也着实让人佩服。 这个时候的热力学还没有什么,一句大白话能引起什么悲伤啊,但是克劳修斯觉得这样不太严格,就提出了熵。 克劳修斯提出了熵的概念来表述热力学第二定律,所谓熵就是体系的混乱程度,用增量定义为 dS=δQ/T ,式中 T 为物质的热力学温度;δQ 为熵增过程中加入物质的热量。 熵的提出引爆了一场物理革命,也带来了一场大争论。 路德维希.玻尔兹曼,奥地利物理学家,于 1877 年运用统计力学的方法提出了玻尔兹曼熵公式,即 S∝lgW,W 为宏观状态下包含微观状态数量,1900 年,量子力学创始人普朗克为公式增加了一个常数 k,为了纪念伟大的前辈,普朗克将常数命名为玻尔兹曼常数,于是公式变为 S=klgW,现在玻尔兹曼公式通常表述为 S=klnΩ,用自然对数取代了常用对数。 因为Ω是宏观状态下包含微观状态的数量,只有完美晶体且绝对温度等于零的情况其值才能等于 1,这两个条件太难达到了,只有宇宙大爆炸的奇点才接近这个条件,所以 S 也只能是≥0 的正值。 初始值为正,且只能增加不能减少,还有一个物理量具有如此性质,那就是时间,所以熵又被称为“时间之箭”,在此之前,时间只是我们臆想出来的一个概念,或者说只是一个心理学概念,我们只能感觉到时间一去不复返,例如孔夫子只能站在岸边慨叹:逝者如斯夫。熵第一次定义了时间,对熵的测量就是一种时钟。广电总局会非常喜欢玻尔兹曼,因为他的研究证明了穿越剧不可能实现。 “时间之箭”的提出却引起了轩然大波,首先在社会学界引发了抗议,因为依照玻尔兹曼的理论,人只能更坏,社会也走向分崩离析,最后灭亡,热力学第二定律是当时名声最坏的定律,被认为是堕落的渊薮。 在科学界的影响也并不比在社会学界小,根据玻尔兹曼熵公式,如果把系统扩大到整个宇宙,作为一个“孤立”的系统,宇宙的熵会随着时间的流异而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡,这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在,这就是热寂说。 这样恐怖的未来比黑暗森林还要黑暗,已经是死神永生了。 这就是当时人类悲从中来的原因了吧,因为看不到希望,前景是一片黑暗,无论谁都会感到无助与惶恐。 下面说如何排解这种情绪 首先麦克斯韦派出麦克斯韦妖来拯救宇宙。 麦克斯韦设想了一个容器被分为装有相同温度的同种气体的两部分 A、B。麦克斯韦妖看守两部分间的门,门是理想化的门,无摩擦且开闭不需要能量,麦克斯韦妖就守在门口观察分子运动速度,对于 A 部分而言,观察到 B 部分分子运动较快的分子则打开门允许其通过,较慢的分子关门禁止其通过,对于 B 部分,采取相反操作,经过充分长的时间,两部分分子运动的平均速度即温度产生差值并越来越大,A 部分的温度就高于 B 部分,经过运算可以得到这一过程是熵减过程,而麦克斯韦妖的存在使这一过程成为自发过程,这是明显有悖于熵增原理。可是睿智的麦克斯韦忘了一点,他的爱宠是如何测量每个分子运动速度而得知其快慢的呢?而其获得测量分子运动速度以及获得信息的过程,则必然消耗能量,则意味着熵还是要增加的。 麦克斯韦妖 其实热寂说的一个基本假设是宇宙是一个孤立的稳定系统,假如宇宙不再稳定,那么热寂说自然就不存在了,一九二九年,美国天文学家哈勃观测到“所有星云都在彼此互相远离,而且离得越远,离去的速度越快”,提出了宇宙膨胀学说,依照此学说,死亡之时即为新生之时,因为最终将发光体不存在,只有高质量的暗物质。但此情形下很难一直持续下去,更可能因为零点能作用产生大撕裂,甚至产生新的宇宙大爆炸,这总算给了宇宙一点希望。 那么对于社会学界怎么排解呢? 这真是社会学家们多虑了,因为人类社会并不是一个热力学隔离系统,而是一个自适应系统,熵增原理并不适用于人类社会。 但是对熵增原理更大的诘难来自于洛施密特悖论,洛施密特指出如果对符合具有时间反演性的动力学规律的微观粒子进行反演,那么系统将产生熵减的结果,这是明显有悖于熵增原理的。针对这一悖论,玻尔兹曼提出:熵增过程确实并非一个单调过程,但对于一个宏观系统,熵增出现要比熵减出现的概率要大得多;即使达到热平衡,熵也会围绕着其最大值出现一定的涨落,且幅度越大的涨落出现概率越小。 最后再说一下玻尔兹曼。 玻尔兹曼坚持原子说,原子说也是他理论的基础,而当时的主流却是唯能说,唯能说的代表是奥斯特瓦尔德,后台老板则是大名鼎鼎的马赫,这位“见神杀神,见佛杀佛”,一辈子怼牛顿,启发了爱因斯坦,他的教子就是更牛的泡利,而支持玻尔兹曼的仅仅有普朗克,而普朗克当时还不是后来的大牛,自然是人微言轻,在和唯能说的争斗中,玻尔兹曼心力交瘁。 直到 1905 年,爱因斯坦横空出世,写出了《分子大小的新测定法》,三年后,法国物理学家佩兰,做实验证实了爱因斯坦的论述,这才确定了原子说,而此时玻尔兹曼已经自杀两年了。 声明一下吧,省得天天让人举报,本回答参考了本人创作的《孤独的旅人:玻尔兹曼》,在专栏里有。 吴牛喘月:孤独的旅人:玻尔兹曼 查看知乎讨论

11月 14, 2024 - 15:30
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学到热力学第二定律有种「悲从中来」的感觉,如何排解?
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关于熵的定义问题,说错了好多,我已经修改过来了,对评论区的各位大佬一并表示感谢,很抱歉诸位。

以下是原回答。

何止是你啊,当年整个人类都感到了惶恐。

热力学第二定律最早由开尔文爵士和克劳修斯分别独立提出,他们俩人都是在研究卡诺定理基础上提出的,卡诺也是位奇人,有了成果从来不发表,让别人去他草稿中去翻,关键是还翻不到,开尔文爵士和克劳修斯都通过别人的论文理解卡诺的想法。

开尔文对热力学第二定律的描述是“不可能制成一种循环动作的热机,从单一热源取热,使之完全变为功而不引起其它变化”,换一种说法就是第二类永动机不可能建成。

克劳修斯对热力学第二定律的描述是“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”

这就是所谓的热力学第二定律,听起来是不是有点象大白话啊,是的,就是大白话,所以热力学第二定律一直是民科的重灾区,动不动就会冒出一位大神来说自己推翻了热力学第二定律或者造出了永动机。

其中有一位研究永动机的大神我们很熟悉,就是淮海战役中的黄维,别人在功德林好好改造,他一心研究永动机,这种科学精神也着实让人佩服。

这个时候的热力学还没有什么,一句大白话能引起什么悲伤啊,但是克劳修斯觉得这样不太严格,就提出了熵。

克劳修斯提出了熵的概念来表述热力学第二定律,所谓熵就是体系的混乱程度,用增量定义为 dS=δQ/T ,式中 T 为物质的热力学温度;δQ 为熵增过程中加入物质的热量。

熵的提出引爆了一场物理革命,也带来了一场大争论。

路德维希.玻尔兹曼,奥地利物理学家,于 1877 年运用统计力学的方法提出了玻尔兹曼熵公式,即 S∝lgW,W 为宏观状态下包含微观状态数量,1900 年,量子力学创始人普朗克为公式增加了一个常数 k,为了纪念伟大的前辈,普朗克将常数命名为玻尔兹曼常数,于是公式变为 S=klgW,现在玻尔兹曼公式通常表述为 S=klnΩ,用自然对数取代了常用对数。

因为Ω是宏观状态下包含微观状态的数量,只有完美晶体且绝对温度等于零的情况其值才能等于 1,这两个条件太难达到了,只有宇宙大爆炸的奇点才接近这个条件,所以 S 也只能是≥0 的正值。

初始值为正,且只能增加不能减少,还有一个物理量具有如此性质,那就是时间,所以熵又被称为“时间之箭”,在此之前,时间只是我们臆想出来的一个概念,或者说只是一个心理学概念,我们只能感觉到时间一去不复返,例如孔夫子只能站在岸边慨叹:逝者如斯夫。熵第一次定义了时间,对熵的测量就是一种时钟。广电总局会非常喜欢玻尔兹曼,因为他的研究证明了穿越剧不可能实现。

“时间之箭”的提出却引起了轩然大波,首先在社会学界引发了抗议,因为依照玻尔兹曼的理论,人只能更坏,社会也走向分崩离析,最后灭亡,热力学第二定律是当时名声最坏的定律,被认为是堕落的渊薮。

在科学界的影响也并不比在社会学界小,根据玻尔兹曼熵公式,如果把系统扩大到整个宇宙,作为一个“孤立”的系统,宇宙的熵会随着时间的流异而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡,这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在,这就是热寂说。 这样恐怖的未来比黑暗森林还要黑暗,已经是死神永生了。

这就是当时人类悲从中来的原因了吧,因为看不到希望,前景是一片黑暗,无论谁都会感到无助与惶恐。

下面说如何排解这种情绪

首先麦克斯韦派出麦克斯韦妖来拯救宇宙。

麦克斯韦设想了一个容器被分为装有相同温度的同种气体的两部分 A、B。麦克斯韦妖看守两部分间的门,门是理想化的门,无摩擦且开闭不需要能量,麦克斯韦妖就守在门口观察分子运动速度,对于 A 部分而言,观察到 B 部分分子运动较快的分子则打开门允许其通过,较慢的分子关门禁止其通过,对于 B 部分,采取相反操作,经过充分长的时间,两部分分子运动的平均速度即温度产生差值并越来越大,A 部分的温度就高于 B 部分,经过运算可以得到这一过程是熵减过程,而麦克斯韦妖的存在使这一过程成为自发过程,这是明显有悖于熵增原理。可是睿智的麦克斯韦忘了一点,他的爱宠是如何测量每个分子运动速度而得知其快慢的呢?而其获得测量分子运动速度以及获得信息的过程,则必然消耗能量,则意味着熵还是要增加的。

麦克斯韦妖

其实热寂说的一个基本假设是宇宙是一个孤立的稳定系统,假如宇宙不再稳定,那么热寂说自然就不存在了,一九二九年,美国天文学家哈勃观测到“所有星云都在彼此互相远离,而且离得越远,离去的速度越快”,提出了宇宙膨胀学说,依照此学说,死亡之时即为新生之时,因为最终将发光体不存在,只有高质量的暗物质。但此情形下很难一直持续下去,更可能因为零点能作用产生大撕裂,甚至产生新的宇宙大爆炸,这总算给了宇宙一点希望。

那么对于社会学界怎么排解呢?

这真是社会学家们多虑了,因为人类社会并不是一个热力学隔离系统,而是一个自适应系统,熵增原理并不适用于人类社会。

但是对熵增原理更大的诘难来自于洛施密特悖论,洛施密特指出如果对符合具有时间反演性的动力学规律的微观粒子进行反演,那么系统将产生熵减的结果,这是明显有悖于熵增原理的。针对这一悖论,玻尔兹曼提出:熵增过程确实并非一个单调过程,但对于一个宏观系统,熵增出现要比熵减出现的概率要大得多;即使达到热平衡,熵也会围绕着其最大值出现一定的涨落,且幅度越大的涨落出现概率越小。

最后再说一下玻尔兹曼。

玻尔兹曼坚持原子说,原子说也是他理论的基础,而当时的主流却是唯能说,唯能说的代表是奥斯特瓦尔德,后台老板则是大名鼎鼎的马赫,这位“见神杀神,见佛杀佛”,一辈子怼牛顿,启发了爱因斯坦,他的教子就是更牛的泡利,而支持玻尔兹曼的仅仅有普朗克,而普朗克当时还不是后来的大牛,自然是人微言轻,在和唯能说的争斗中,玻尔兹曼心力交瘁。

直到 1905 年,爱因斯坦横空出世,写出了《分子大小的新测定法》,三年后,法国物理学家佩兰,做实验证实了爱因斯坦的论述,这才确定了原子说,而此时玻尔兹曼已经自杀两年了。

声明一下吧,省得天天让人举报,本回答参考了本人创作的《孤独的旅人:玻尔兹曼》,在专栏里有。

吴牛喘月:孤独的旅人:玻尔兹曼

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