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时间为什么不可逆?

已有 533 次阅读 2019-4-16 15:50 |系统分类:科研笔记

为什么时间不可逆?多想造出一台时光机,回到过去,改正犯下的错误,创造新的自我,再见已逝的容颜。无数的诗人,哲人,文学家也在吟诵“君不见,黄河之水天上来,奔流到海不复回。”,“子在川上曰,逝者如斯夫”,“燕子去了,有再来的时候;杨柳枯了,有再青的时候;桃花谢了,有再开的时候。”。科学家也在思考这个问题,现在看来,时间的不可逆性源自物理中的热力学第二定律。热力学第二定律告诉我们,一个系统,比如一辆自行车,骑手和它行驶过的地面,所经历的过程,是一个类似于单行道的过程,他只会向一端发展。比如骑自行车下坡的时候,简单的用手握一下刹车,自行车就会停下来,这个过程是“很容易”的。用物理学的语言就是动能可以无条件的转化成热能;但如果反过来,想把车胎上摩擦产生的热重新变成动能,想轻轻捏一下闸,把那些变为热的动能再变回来,自行车又重新跑起来,就不是“很容易”了。热力学第二定律相应的表述是不可能从单一热源吸热做功而不产生其它变化。因为热力学第二定律产生于工业革命时代,所以身上有很强的机械工作的影子,但它是物理学中最基本的一个物理定律之一。她标明了一个物理过程的方向性。

 

在经典的牛顿力学里面,时间都是可逆的。比如说我让你看一段关于几个台球在碰撞、运动的视频。那么这段视频,正向放映和反向反映,从台球的运动上,你根本不知道区别。这就是时间不可逆性的一个最好的说明。其实,如果把那几个台球变为电子,它们的相互作用过程,同样是可逆的。如果基本的物理规律都是可逆的,那么不可逆性是从什么地方溜进来的呢?是统计规律造成的。热力学研究的是宏观系统,系统由多达1023量级的原子所构成,这个系统在一定的温度下面,如何演化的问题。极大量的原子构成的系统有一个新的特征,这些大量的原子除了都要遵守物理学(本质上是量子力学)规律外,它们还必须遵守数学上的统计规律。大量的原子,大量飞行的蝗虫、候鸟,大量的人流,都会遵守统计规律。有人把统计学规律说成是物理学定律之外的第二规律,搞得规律也有三六九等之分。

 

时间的不可逆性实在是一个很吸引人的问题。我在大学二年级的时候,老师正在课堂上讲“熵”的概念,我在下面突然想明白了。如果一缕烟,当他袅袅上升后,这些烟雾颗粒再也无法像开始的时候一样聚在一起。这个大概就是时间不可逆性吧!当时没有太多的自信,认为物理家对这些基本的问题,一定有更高深的见解。后来,从教科书上知道了,他们的说法是如同一杯水,把它撒向大海,那么你再也难以得到同样的一杯水,这其实和我所想到的袅袅上升的那一缕烟,还有民间的覆水难收是同样一个道理。

 

但是物理学家也有厉害的地方,他们能够把生活中比较复杂的真实系统,简化为一些简单的模型系统,或者复杂的过程,简化一系列的理想过程。重要的是,这些简单的系统,或者这些简化的过程都抓住了这个真实系统,或者复杂过程中最重要的部分。所以,对一个物理学家来说,这个系统或过程中什么是重要的因素,什么是次要的,可以被忽略掉的因素,是考验他能力的时候。曾经在网上和一个网友聊天,他抱怨说“物理学家故意不看见一些东西”。他说得对,物理学家把它们作为次要因素忽略掉了,所以看不见。经过这样的理想化之后, 在一个很简单的系统里面说,就可以计算出一些重要的物理学量,比如温度,压强,或者熵等。

 

在热力学时代,熵是个神秘的概念,没人明白她到底对应什么物理实质。只知道在一个过程中,这个量不断变大。直到统计力学发展后,它的意义才大白于天下。简单的说,熵这个概念表示一个系统的混乱程度,如果一个系统的混乱程度越高,那么它的熵就越大。反之,熵越小。热力学和统计力学之间,熵起了一个桥梁的概念。

S = k log W,公式中的S就是熵,k是一个物理学中的常量,W是一个系统的微观状态数。

有了熵的概念之后,热力学第二定律就可以表述为,随着时间的增加,一个系统的熵会越来越来越大。所以,你,我生命中发生的事情有一个箭头,箭头方向是熵增大的方向,也就是时间流逝的方向。想回到从前,回到熵很小的时候,物理学会对你说,没门!

 

因为热力学第二定律是一个统计规律。所以,前几年,悉尼大学的一个研究小组发现,在微米(10-6米)的尺度,在分钟的量级内,一个胶质的小球和一杯水构成的系统会违反这个定律,这个系统的熵在这个时间尺度的过程中可能会减少了,此时热力学第二定律被违反了。记得当时连《纽约时报》都报道了这项研究,毕竟能够报道物理学大厦的坍塌是件很耸人听闻的事情。但实际上热力学定律本身就是一个宏观的定律,它的正确性依赖于研究的系统含有极大量的粒子,从而可以应用统计学规律。而在微米尺度上,分钟量级内,包含的粒子数量不多不少,正好处与这个边缘,所以有可能破坏热力学第二定律。但是在宏观范畴内,热力学定律绝无坍塌的危险,一如滴滴答答的时间,永远向前流逝。

 

物理学家通过这样对简单系统的了解后,反过来,对真实的系统的了解更加深入了。前几年,看到一则新闻,说是一个女孩子想穿越回古代当公主。这种事情对我来说,先砍下我的头,再让我穿越。不过,有些物理学家哥们的步子也迈得太大了些,他们说,热力学第二定律就是宇宙的熵永不减少。老兄,现在发现,宇宙处处有暗能量,暗物质,我们对宇宙中物质的了解只有4%,所以,宇宙中的热力学定律还是先歇会儿吧!

 

English Corner:  From Wikipedia, the free encyclopedia - thermodynamics

Thermodynamics is the branch of physics that deals with heat and temperature, and their relation to energy, work, radiation and properties of bodies of matter.

Wikipedia 比中文的维基百科的量和质上要高出几个量级。

deals with 这儿是处理的意思。

 

Historically, thermodynamics developed out of a desire to increase the efficiency of early steam engines, particularly through the work of French physicist Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824) who believed that engine efficiency was the key that could help France win the Napoleonic Wars.

这句话也说明了热力学的起源是工业上对机器效率最大化的追求。

Nicolas Léonard Sadi Carnot: 教科书上卡诺。

Who 引导的是定语从句,说明卡诺。

 

Chemical thermodynamics studies the nature of the role of entropy in the process of chemical reactions and has provided the bulk of expansion and knowledge of the field.

entropy:熵。






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