物理定律能決定我們所在的世界嗎（物理學定律告訴你）

2023-04-14 05:05:07 1

物理定律能決定我們所在的世界嗎?有的事情是具有普遍的確定性的，比如死亡、納稅、熱力學第二定律關於前兩者的文章可謂汗牛充棟，但這一篇文章是關於第三個的，接下來我們就來聊聊關於物理定律能決定我們所在的世界嗎?以下內容大家不妨參考一二希望能幫到您!

物理定律能決定我們所在的世界嗎

有的事情是具有普遍的確定性的，比如死亡、納稅、熱力學第二定律。關於前兩者的文章可謂汗牛充棟，但這一篇文章是關於第三個的。

1824年，法國物理學家卡諾在思考蒸汽機工作原理時，首次提出了這一定律。直到今天，熱力學第二定律仍然巍然屹立，升華成一個不可改變的事實。無論多麼努力，你都無法擺脫它那無可動搖的結論的控制：在孤立系統中，熵永遠不會減少。

那麼，熵是什麼呢？它為什麼會變？

1. 空氣分子有多少種排列？

如果給你一盒空氣，讓你測量它的一些性質，你的第一反應或許是拿出尺子和溫度計，記錄一些聽起來科學的重要數字，比如體積、溫度或壓強。這樣的第一反應是合理的，因為你知道像「空氣」這樣的東西實際上是會四處亂竄的，它們是雜亂的微觀分子的集合。或許你的腦袋中曾經閃過一個念頭——你要記錄每一個分子行經的所有位置和速度，但很快你就會將這些想法拋諸腦後，因為那太過繁瑣和愚蠢。

畢竟，像溫度、壓強和體積這類數字會提供所有你真正關心的信息。它們能告訴你與盒子中的空氣有關的一切，無論你是要打開盒子、壓縮盒子還是讓盒子膨脹。這些空氣分子如何排列並不重要。

這正是關鍵所在。盒子裡的空氣分子有很多不同的排列方法，它們都能導致完全相同的壓強、溫度和體積。你會注意到其中兩個粒子互換了位置嗎？你能捕捉到有幾個分子翻了個面嗎？不，你不能。壓強、溫度和體積都可以保持不變。

這就是熵的作用。那些無法看見的東西（微小的空氣顆粒）在不同排列下，仍能導致完全相同的可觀測的測量（比如壓強），熵的概念所描述的正是這種不同排列方式的數量。

2.隨著時間變化

但是，為什麼這個數字永遠不會減少呢？為了探索這個問題，我們先來「打掃」一下你的房間吧。

想像一下你終於把所有事情都安排好了，準備清空周末的日程安排：早起，喝上一杯咖啡之後開始做假期以來已被你拖延已久的事情——打掃房間，從上到下、從裡到外都變得乾淨整潔。最終，萬物皆得其位，完美！

那種柏拉圖式的理想房間又能維持多久呢？用不了多久你就會清醒地意識到，你周而復始的所有努力都是徒勞無益的。

但是，為什麼你的房間就不能在未來幾年都保持整潔呢？那是因為，只要一件東西變了——只需要一件——它就不再乾淨了。床上的髒襪子意味著混亂，一個枕套邊皺了意味著混亂，床頭柜上還有一盒零食餅乾？我不會嘲笑你，但那仍然意味著混亂。

在這個例子中，房間裡的物件只有遵循某些特定的排列才會導致度量結果為「乾淨」，但是還有數百萬種其他的排列能導致度量結果為「混亂」。如果龍捲風襲擊了你剛打掃過的房間，它保持乾淨的可能性有多大？零嗎？並不是。

存在一種純偶然的機率——龍捲風會捲起你房間裡的每一件東西，然後將它放回原位。但這個微小的機率大約等於你買中了最最厲害的頭獎。所以還是面對現實吧，在這種機率裡你不會是贏家的。在龍捲風過後，你發現房間混亂不堪的概率要遠遠大得多，這僅僅是因為，讓一個房間變得混亂的方法實在太多了。

3.無比苛刻的熵

同樣，你也無法阻止房間裡的空氣分子突然決定集體朝同一個方向前進，擁擠到角落裡，讓你在真空中窒息。說真的，沒有什麼粒子或分子間相互作用的規律能阻止出現這樣的情況。

但是，空氣分子的運動由無數的隨機碰撞和運動控制著，這是一場永不停歇的分子運動。本質上，這無數的運動總能讓空氣處於雜亂無章的狀態：均勻地散布在整個房間。而這都是因為空氣散布於整個房間的方式比擁擠到某個角落裡的方式要多得多。

最終，系統永遠不會從無序走向有序（除非想辦法給系統中增加能量，但這就是另一個故事了），因為絕對壓倒性的統計規律會阻止這樣的事情發生。無序狀態和有序狀態的概率不是10比1或3720比1，而更多的是10³⁶（為了更好地衡量概率，還可以再加幾個零）比1這種數量級。

對於那個曾經整潔的房間說來，情況就是，讓房間變得乾淨的方式很少，而讓房間變得混亂的方式卻數不勝數。不同的「混亂」的排列方式（比如把髒襪子放在床上還是放在梳妝檯上）能導致對溫度或壓強的相同測量結果。熵表示的是，在能夠獲得相同測量值的情況下，可以用多少種不同的方式重新排列混亂的房間。

對於任由自己的混沌裝置支配的系統，它永遠會尋求更高的熵，這僅僅是因為相比於製造整潔，製造混亂方法要多得多——這就是熱力學第二定律。

撰文：Paul M. Sutter（俄亥俄州立大學天體物理學家）

原文連結：

https://www.space.com/43138-life-is-chaotic-entropy.html

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來源： 中科院高能所