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寻找“不可能”的原因

已有 2930 次阅读 2013-3-26 21:33 |个人分类:知识|系统分类:科研笔记| 热力学第二定律

      “不可能”三个字经常是一种很痛快的状态从人们口中说出的。因为我们有一些强有力的经验或者基本原理。
       有一些“不可能”是由定义可得(by definition)的,比如,一个系统的机械效率不能超过100%。但是多问一句“为什么”,也还是能说出一点“原因”来的,比如,能量守恒,并且整体大于部分。说了这些“原因”并不能改变事实,但是对于理解的深度和趣味性而言,就完全不同了。
        如果说能量守恒原理、整体大于部分这样的原理是比较“显见”、“符合常识”,因而不太令人震撼的话,那么热力学第二定律就完全不同了。至少,在我第一次接触到这个定律的时候,十分惊异。因为这个定律描述的东西不是那么“显见”的。当然,热力学第二定律是强大的,可以方便地判别很多过程是否可能,最著名的可能就是否定了各种类型的永动机。但是简单的一句,永动机是不可能的,总感觉缺点什么,虽然这是对的。事实上,我特别喜欢看书里面分析为什么某种永动机的设计是不可能的,很多时候,分析过程都是受力分析,看着比单单说“这违反了热力学第二定律”要有趣得多。
         中科大出的CUSPEA习题集里有一道题:能否用凸透镜聚焦太阳光,得到比太阳温度高的温度?这个问题很多人想到过,也讨论过。从做题的角度来说,无需说很多,只需要说,由热力学第二定律可知,不可能。事实上,这道题的标准答案就是这样的。但是我一直都不能满足于这样的答案。思考过程中我一度怀疑这道题的答案是错的(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=117333&do=blog&id=541280)。因为如果能提高光子的能量密度的话是有可能提高温度的。但是仔细想想就知道了,在稳态情况下,这是不可能的。因为能量密度(温度)高了,辐射能流也会增大,要维持比太阳高的温度就必须有更大的能量注入,这是无以为继的,无法达到稳态。当然,如果不是稳态,说不定可以得到比太阳温度高的温度。比如,我们偷换一下条件,我们先把太阳能转换为电能,然后电弧放电,这样就可以得到比太阳高的温度了。
       总的来说,能断言“不可能”的原理都很强大并且实用,它们节约了我们的精力,让我们放弃一些不可能实现的想法。但是另一方面,直接使用这样的原理有时候也会剥夺思考的乐趣。一件事可能与否,在物理学里可能有很多条底线,有的事只需要简单的原理就可以判定为不可能,而有些事不得不动用强大的原理。物理学的发展可能会证明有些原理的局限,而有些原理却始终未被动摇过(思考题:比如说那些原理?)。

 



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