【原】熵的預(yù)言：它不僅能毀滅宇宙，還操控著你的人生！

科學(xué)羊 2025-02-21 發(fā)布于廣東

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大家好，我是科學(xué)羊??。

你有沒有發(fā)現(xiàn)，我們生活中的人都對蒸汽機(jī)不是很感興趣，更別說熱力學(xué)了。

不感興趣的本質(zhì)其實(shí)是不了解，或者說沒有置身事內(nèi)，所以也不關(guān)心...，但如果你哪天無聊了，你可以簡單去研究下物理學(xué)的起源，我相信一定會陷入其中，嘿嘿。

比如，我自己就是在探索相對論和量子力學(xué)起源的探索，意外地將我拖入了這個“古老”的領(lǐng)域。

起初，我只是想了解量子力學(xué)的歷史脈絡(luò)，于是讀起了馬克斯·普朗克（Max Planck）的論文。

普朗克被認(rèn)為是量子理論的奠基人之一，他的研究涵蓋了大量物理學(xué)核心問題。其中，一篇關(guān)于黑體輻射的論文引起了我的注意。

盡管黑體輻射本身并非純粹的量子力學(xué)研究，但它卻是從經(jīng)典物理向量子物理過渡的重要里程碑。

普朗克在這篇論文中反復(fù)提到了“熵”這一概念，而當(dāng)時的我對熵幾乎一無所知。

如果想理解普朗克的理論，我必須先弄清楚熵的含義。

所以，這讓我進(jìn)一步追溯到了熱力學(xué)的歷史。

魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）

于是，我找到了「魯?shù)婪颉た藙谛匏?/span>（Rudolf Clausius）」的論文，他被譽(yù)為“熵之父”，也是熱力學(xué)第二定律的提出者。

滿懷期待，我打開了他的《熱的機(jī)械理論及其在蒸汽機(jī)和物理特性上的應(yīng)用》，但這篇論文的晦澀程度遠(yuǎn)超我的想象——僅僅讀了三頁，我就放棄了。

克勞修斯的論文充滿了密密麻麻的微分方程，沒有上下文解釋，也沒有變量定義。

他花了一整頁推導(dǎo)一個數(shù)學(xué)公式，接著又寫了一頁，告訴我們變量 x 會影響變量 y 的值，但完全沒有說明這兩個變量代表什么，以及它們?yōu)槭裁聪嚓P(guān)。

我開始懷疑，這些科學(xué)家發(fā)表論文的目標(biāo)，究竟是為了與世界分享他們的發(fā)現(xiàn)，還是單純地向同行展示自己的才華？

當(dāng)然，也許是我的愚鈍讓我無法理解這些論文的真正價值。

但不可否認(rèn)的是，許多科學(xué)文獻(xiàn)都充斥著不必要的術(shù)語和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，讓簡單的概念變得晦澀難懂。正是這種學(xué)術(shù)壁壘，讓物理學(xué)看起來遙不可及。

然而，盡管他們的表達(dá)方式令人頭疼，這些科學(xué)家的貢獻(xiàn)依然不可否認(rèn)。

愛因斯坦、居里夫人、玻爾、普朗克、海森堡、薛定諤……這些名字代表了科學(xué)史上最偉大的突破。

他們的理論推動了現(xiàn)代世界的發(fā)展，即便他們的論文晦澀難懂，后來的科學(xué)家依然能在他們的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和深化。

為什么熱力學(xué)如此重要？

因為，熱力學(xué)不僅僅是物理學(xué)的一個分支，它更像是連接經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)的橋梁。

事實(shí)上，關(guān)于原子的早期發(fā)現(xiàn)之一，正是來自研究蒸汽機(jī)的物理學(xué)家。

這位科學(xué)家基于熱力學(xué)的研究，推測出物質(zhì)的基本單位必須是原子。然而，當(dāng)時的科學(xué)界普遍拒絕這一觀點(diǎn)，甚至到了極端的地步——最終，這位科學(xué)家因不被認(rèn)可而自盡。

盡管這聽起來像是一個悲劇的開端，但它強(qiáng)調(diào)了熱力學(xué)的深遠(yuǎn)影響。

它不僅僅是關(guān)于熱量和功的學(xué)科，更是揭示宇宙運(yùn)行規(guī)律的關(guān)鍵之一。甚至可以說，如果你想真正理解量子力學(xué)，熱力學(xué)是一個不可繞過的起點(diǎn)。

在我看來，熱力學(xué)提供了一種理解自然的獨(dú)特方式。如果你是一個宗教信仰者，它或許能成為你理解“神”的橋梁；如果你更傾向于科學(xué)，它則是探索宇宙本質(zhì)的鑰匙之一。

從蒸汽機(jī)到熱力學(xué)：一場工業(yè)革命的危機(jī)

想象一下，在19世紀(jì)，你是一個蒸汽火車的駕駛員。

你得到指示：每一塊煤炭可以推動火車行駛一英里。因此，你計算了一下，十塊煤應(yīng)該能讓火車跑十英里。

然而，當(dāng)你鏟入十塊煤后，火車卻只跑了一英里便停了下來。

這到底是怎么回事？

這并不是一個簡單的操作失誤，而是當(dāng)時工業(yè)界面臨的真正難題——蒸汽機(jī)的能量利用效率太低了。

盡管煤炭提供了燃燒的熱能，但其中大部分能量并沒有有效地轉(zhuǎn)化為推動火車前進(jìn)的功，而是以各種形式損失了。這種現(xiàn)象促使科學(xué)家們開始研究如何提高蒸汽機(jī)的效率，并最終催生了熱力學(xué)這門學(xué)科。

在這個背景下，尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾（Sadi Carnot）被譽(yù)為熱力學(xué)之父。他敏銳地察覺到蒸汽機(jī)效率低下的問題，并試圖設(shè)計一個理論上最完美的發(fā)動機(jī)——卡諾發(fā)動機(jī)（Carnot Engine）。

左圖為真實(shí)世界的熱機(jī)循環(huán)，右圖為理想熱機(jī)的卡諾循環(huán)。現(xiàn)實(shí)物質(zhì)的熵隨溫度變化。這種變化由T-S圖上的曲線表示。

雖然這種發(fā)動機(jī)在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但它建立了一種數(shù)學(xué)模型，展示了如何最大限度地提高能量轉(zhuǎn)化效率。

熵：我們無法避免的能量損耗

在深入熱力學(xué)研究時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個無可避免的現(xiàn)象：無論我們?nèi)绾蝺?yōu)化發(fā)動機(jī)，都會有一部分能量轉(zhuǎn)化為無用的熱量，無法被回收利用。這一現(xiàn)象后來被稱為熵，它描述了一個系統(tǒng)中無序程度的增加。

熵不僅僅適用于發(fā)動機(jī)，它幾乎存在于所有自然過程之中。

例如，你的汽車發(fā)動機(jī)的能量利用率通常只有20%-40%，也就是說，60%-80%的汽油能量被浪費(fèi)掉了。

這并不是因為我們的技術(shù)不夠先進(jìn)，而是自然法則決定了能量在轉(zhuǎn)移過程中必然會損失一部分。

熱力學(xué)第二定律告訴我們，任何封閉系統(tǒng)中的熵都會不斷增加，也就是說，世界正在走向更高的無序狀態(tài)。

正是這一定律，使得我們不可能制造出100%高效的發(fā)動機(jī)，也讓宇宙的未來充滿了不確定性。

在熱力學(xué)研究的早期，科學(xué)家們對熵的概念爭論不休。其中，路德維?！げ柶澛↙udwig Boltzmann）是熵理論的關(guān)鍵推動者之一。

他通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明，熵的增加可以用統(tǒng)計力學(xué)的方法來解釋，進(jìn)而揭示了分子運(yùn)動與宏觀熱力學(xué)之間的聯(lián)系。

然而，玻爾茲曼的理論在當(dāng)時并未被廣泛接受。

許多科學(xué)家強(qiáng)烈反對他的觀點(diǎn)，使他陷入了孤立和抑郁之中。

最終，他在1906年選擇了自盡，而諷刺的是，他的理論在他去世后才得到了廣泛認(rèn)可。

如今，他的名字被銘刻在物理學(xué)的歷史之中，而他的熵方程更是被刻在了他的墓碑上。