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极好的一本关于熵的科普读物:溯源探幽,熵的世界。 精选

已有 4112 次阅读 2023-8-10 20:20 |系统分类:生活其它

溯源探幽:熵的世界,冯端、冯少彤著,科学出版社,2016

  有一天心血来潮,突然想起来在动植物的生长过程中都是离散的无序分子构成了有序的组织,比如从土壤中吸取各种元素,按一定的序列排就,形成树根、枝蔓、花叶;而母亲的正常饮食也可以形成胎儿的骨骼肌肉头发器官,那么这个过程不就是个逆熵过程吗,而自然的(无机)过程都是从有序变成无序,最典型的就是空气扩散,理论上也就是熵增原理,那么生物过程的熵减现实与熵增原理的矛盾如何统一的?在网上搜了一下,无果,貌似很少有人讨论,在群里问了一句,回答是这问题而简单的,生物成长过程就(!)是一个熵减过程,这是一个必然的结论,便没了下文,没好意思追问下去,便在书架上搜出了与熵相关的书籍,第一本读的便是这个。

  前面没有什么太多的新东西:热力学是一个随着热机(蒸汽机和内燃机)发展起来的学科,所以在表述上很有些工匠的特点,比如三个定律加就零律都是什么可以或者不可以实现,虽然也都有简洁的公式,但并没有牛顿力学或麦氏方程那种简洁且有力的表述。(不知这个问题是不是可以讨论一下)。而热力学的第二定律便是熵增原理,其直接的结论便是“热寂说”。陆续讲到了熵的定义,包括这个汉字的出身,又介绍了统计热力学对宏观热现象的解释,以及液晶、混沌、化学熵、信息熵等近代科学中熵的概念和理论的发展。

  一到了群体的时候,这个世界就不是那样简单的机械叠加过程了。比如量子力学讨论的是一些个体的情况,但到了宏观时如何就会出来各种佯谬。后面便是讨论微观的可逆如何与宏观的不可逆,也就是时间性之间的关系,还有统计过程与结果早在热力学时就成了科学的语言,为什么到了量子力学,几率波就引起了人们那么强大的抵抗,最著名的就是那句话了,上帝不掷骰子。其实几率、扰动、涨落,这些词儿在热力学很重要的呀。

  对相空间和吉布斯熵的解读很有启发,读书的时候不知为何而学。但里面的故事“冬季为什么要生火”没读明白,看看过一段会不会想清楚吧。还有很多科学家都是牧师出身,最出名的应该是孟德尔吧,这个是不是也是一个很好的小题目,估计是因为当时的知识分子都来自牧师吧,至于出身牧师家庭的那就不可枚举了。

  科普的书谁来读,如果是个没有热力学基础的人来读怕是很难读懂了,而学过了热力学的人又会觉得挂一漏万。对我来讲,这是一个从见树木的课程学习过程走向宏观的见树林的过程,在课程学习时经常关注的逻辑与理性的详细过程,却缺少对宏观的把握过程,一二三四五的学下去,为什么是这样一个一二三四五,而不是一二四六八,更不要说在那些探索过程中的各种思想发现及成熟的那些艰辛过程了。可惜不去讲课了,若不然按照这本书去讲热力学一定会对大家有帮助的。

  其实牛顿第一定律就写了这个世界是可逆的,因为只有在“理想”状态下,特别是假设无摩擦的状态下,才有惯性定律。还记得李椿当年在新建的北大图书光滑的走廊上用一个悬浮物(好像是一个装有液氮的小罐子)演示近无摩擦直线运动。也就是讲在现实世界中,克服不了的摩擦使的这种运动是不存在,我们却在相信这种不存在的世界。因为干扰是使得真实世界距离这个假想的世界并不远,真实状态是环绕在这种非真实状态周围的,也就是说,非真实状态是个稳定态,就似碗里的球一般,若是偶然的滚动一下后总是会回到稳定态的。

  不料后来遇到了耗散过程,也就不是平衡态,看了这本书才知道,耗散过程是远离平衡态的过程,只是多数时间与消耗相关,但其实这个过程并不一定便是一个“耗散”的过程。最有趣的便是对流过程中的有序循环,是个稳定态但不是平衡态。当然,这个又与混沌理论绑定在一起了,所以很多事情其实都经不住你仔细想,仔细一想都是完全相同的问题,只是人们认识的突破口并没有从此产生,因而便被忽略了。比如混沌理论来源于三体的动力学过程在牛顿力学建立的早期就被讨论过,只是当时没有成长起来。

  但是我关心的生物过程的减熵过程在书中虽有讨论但并没有讨论的特别仔细,只是在讲生物过程是一个熵减的过程,而且进化是以熵减为方向的,但为什么是这样的,熵增原理与生物过程是如何“握手言和”的书中并没有讲的很清楚,而且从历史上看,进化论与热力学第二定律恰巧是同时代的两大科学进步,这个问题在当时就应该被注意到的呀。当然这本也是一个关于熵的科普书,作者也不可能在此花费过多的笔墨,但说明这确实是一个被前人们关心的问题,只是没有形成一个宏大的研究群体。书中有蛋白质的折叠讲了在微观层面上的低熵问题。

  我最后的解释是过去所讲的自然过程,都是无机的机械过程,而不是生物过程,有序是不需要智慧的,而动植物是有智慧的自然,因而,减滴是其追寻(进化)的目标。哈,瞎说瞎说。

  月亮的光能不能利用透镜将报纸点燃,就像太阳光那般,答案是否定的,因为违反了热力学第二定律,也就是不能从低温热源向向温热源输出热量(而不引起外界的影响),虽然能量可以会一直积累,但温度是不会超过月亮的表面温度的。这个结论是在学习透镜时学到的,但这次才明白这个道理。

  书写的很早,二版的时候做了一些修改,是父女俩的作品,网上搜了一下是个很有地位的院士。相当好的一本科普书,可惜关注热二律的人少于关注量子力学的人。

  有几处错误:说庞加莱因对三体问题的研究获奥斯卡奖,这明显是个笔误,我查了一下,庞加莱是得过英国皇家天文学奖,编辑有责任呀,哈;还有弱不可积和近可积两个概念也在混用,估计是相同的概念;用拉丁字母的个数来做为信息熵的例子,这估计是外文直接搬砖过来的,中文读者估计很少有人知道拉丁字母的个数吧;最离谱的是一处系数的表达是1.2,结果打印成了“12”,害得我读了半天读不懂,用1做系数咋也计算不出作者的结果。

  书引用了一句话,不要对你不熟悉的领域的指手划脚。原话是“不要用我们已有的知识去轻易的否定未知的东西”(陆学善)。分享了。




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