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世界观革命的历程(三)——永动机与宇宙的本质
发布时间:2018-12-2  阅读次数:113  字体大小: 【】 【】【

  

  北山浮生  北山浮生谈古论今  

本文接上一篇:世界观革命的历程(二)——牛顿阴影笼罩的世界


前文中说过,人类的世界观存在巨大的自我遮蔽性,人们会固执地陷入自己相信的世界观中,选择性地相信与自己的世界观相符的事实,忽略掉与自己的世界观相悖的事实。当新的世界观建立起来后,人的思想观念会发生突飞猛进的变革。


人类学家麦克斯·格拉克曼曾经说过:“科学是一门学问,它能使这一代的傻瓜超越上一代的天才。”正是对这种思想观念的非连续演化的生动表述。

  

人类世界观的这种自我遮蔽性,最集中地体现在对于永动机的探索中。而这场探索的结果,将会成为点燃新一轮科学革命的火种。


在当今时代,科学界已经达成共识:任何企图设计永动机的努力都是完全无意义、徒劳的工作。但如果把目光转向科学史,我们就会发现:永动机的探索是科学史上最奇特的历程,一代又一代的天才发明家前赴后继,百折不回,为永动机贡献了科学的智慧和天才的设计,然而最终都归于失败。

  

永动机的探索推动了物理学的发展,是人们对科学的探索过程中非常重要的一环。热力学这门学科,就是建立在对永动机的不断地探索以及碰壁的基础之上。


世界观革命的历程,就是人类不断掉进大坑又从坑里爬出的过程。假若不是在永动机这个万丈深坑里不断跌倒,热力学或许至今还是一片狼藉,人类对于宇宙本质的认识,也远远不及今天这样深刻。

  

自古以来,人类就存在一个技术梦想,制造一台不需要从外界输入能量就可以永远运转下去的机器,这就是永动机。永动机的想法最初源于印度,生活在公元七世纪的印度占星家婆罗摩笈多,被认为是第一个设计永动机的人。公元1200年前后,这种思想从印度传到了伊斯兰教世界,然后传到西方。



婆罗摩笈多


欧洲早期最著名的一个永动机设计方案,是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。如下图所示:轮子中央有一个转动轴,轮子边缘安装着12个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为,右边的球比左边的球离轴远些,因此,右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去,并且带动机器转动。




然而,只要学过分析力学的人一眼就能看出,该装置的总力矩只会在零附近微小地摆动,最终归于平衡。

  

文艺复兴时期意大利的达·芬奇,我们都认为他是著名的画家,其实他的本职工作是军火设计师,而且是个脑洞大开的设计师。他一度痴迷于永动机的研究,估计是想造出自动火炮之类的东东,但是实验都失败了。达·芬奇敏锐地由此得出结论:永动机是不可能实现的。他写到:“永恒运动的幻想家们!你们的探索何等徒劳无功!还是去做淘金者吧!”

  

达芬奇


以牛顿为代表的科学革命极大冲击了欧洲人的世界观,欧洲人对于科学与技术的热情持续高涨。牛顿力学虽然没有明确支持永动机,但是存在一定程度的鼓舞。例如,根据牛顿第一定律,在没有外力作用下,物体将保持静止或匀速直线运动。这里的“匀速直线运动”,不就是永远运动吗?根据牛顿的机械论宇宙观,整个宇宙如同一个精密的机器一样持续运转,不就如同一架无比巨大的永动机吗?

  

因此,科学革命之后,人们对于永动机的信心不仅没有消退,反而进一步高涨起来。形形色色的永动机设计方案层出不穷,各国宫廷里聚集了形形色色的企图以这种虚幻的发明来挣钱的方案设计师。


其情形很像是这些年互联网热潮下,涌现出的一批又一批用一纸BP(商业计划书),到处忽悠VC(风投)的梦想家。

  

17世纪英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人,他做了一台可以转动的“永动机”,他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴,就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。

  

由于被骗的次数太多,1775年,法国科学院宣布“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。并且明确发出如下告诫:“永动机的建造是绝对不可能的,即使中间的摩擦和阻力不致最终破坏原来的动力,这个动力也不能产生等于原因的效果;……惟一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的将毫无用处。这些研究的缺点是费用极度昂贵,不止毁了一个家庭,本来可以为公众提供大量服务的技师们,往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。”


然而,对于法国科学院如此明确的警告,各种发明家们仍然视而不见,创造永动机的各种活动未见收敛。


各国专利局成为各种永动机骗子扎堆的“重灾区。美国专利局直到1917 年才决定,不再受理永动机专利的申请。尽管如此,在这一年之后还是有不少一时看不出奥妙的永动机方案被美国专利局接受。要知道,此时热力学第一定律(能量守恒定律)和热力学第二定律(熵增定律)均已被提出好几十年了。



十九世纪末的美国专利局

  

由此可见,世界观的思维遮蔽效应有多强!

  

绝大多数科学成果都是依靠“证实”而获得的,而永动机催生出来的两大热力学定律——热力学第一定律或称能量守恒定律、热力学第二定律或称熵增加原理,都是依靠相应类型永动机“无法制成”这一“证伪”的工作而获得的。

  

正因为永动机设计的探索具有“证伪”这一特殊性,热力学第一定律和第二定律不是具有严谨逻辑支持的定理,而是不言自明的“公理”。因此直到今天,仍然有民间科学家在坚持不懈地试图找出这两条定律中的“漏洞”。其中,热力学第二定律尤其与人的直觉相抵触,因此遭受了最多的“围攻”。

  

十九世纪的物理学家麦克斯韦,也是对于热力学第二定律的质疑者。


麦克斯韦毕业于剑桥三一学院,是牛顿的校友,他是经典电磁学的奠基人,1873年出版的《论电和磁》,也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明,因此麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。

  

麦克斯韦


麦克斯韦的挑战,就是大名鼎鼎的麦克斯韦妖。为了说清楚这只小妖到底是什么来头,还是花点时间从头讲起,其中甚至还牵扯到英法德等大国欧陆争霸的背景。

  

热力学第一定律告诉我们,能量是守恒的,它既不会增加,也不会减少,只会从一种形式变为另一种形式。


如果单看热力学第一定律,就会很自然地得出结论:能量是取之不尽用之不竭的,那么就不应该存在能源危机的问题才对。

  

热力学第二定律就是要给我们当头一棒,让我们从这样的美梦中惊醒:在能量转换过程中,尽管能量的总量保持不变,但仍然要付出一定的代价,这个代价就是熵。


“熵这个概念很奇怪,不像速度、电压、电荷有明确的定义,它的面目一直暧昧不清,隐藏在重重迷雾之中。


最初,人们对于熵的认识是“无用的能量”。

  

人类对于熵的认识,来自于对热机的研究。所谓热机,就是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械。前两次工业革命的标志蒸汽机和内燃机,都是不同种类的热机。

  

汽车发动机就是典型的热机


第一次工业革命在于十八世纪中叶在英国率先爆发,使得英国逐渐工业化,综合实力日益增长。法国作为长期与英国争霸的对手,也在千方百计谋求技术进步。蒸汽机作为第一次工业革命的标志,成为两国工业界关注的焦点,工程师们绞尽脑汁,想尽一切办法提升蒸汽机的工作效率。

  

然而,人们虽然在技术上已经知道如何制造和使用蒸汽机,却对蒸汽机的理论的掌握却远远不足,知其然却不知其所以然。


当时的热机工程界围绕如下两个问题进行着热烈的讨论:


(1)热机效率是否有一极限?

(2)什么样的热机工作物质是最理想的?

  

1803年,法国人拉扎尔·卡诺率先发现,热机不可能将所有热能转换成机械能。这哥们是法国大革命时期著名的军事家,政治家,是法国征兵体系的建立者,拿破仑那些伟大胜利幕后的头号功臣,搞科研只不过是业余爱好,在分析数学和几何学方面做出过重要贡献,对热机的研究又是业余爱好中的一个小副业。


他的儿子萨迪·卡诺,则是一个热机的狂热研究者。他从理论上推导出理想热机的最大做功方式(卡诺循环),并指出理想热机的最大能量转换效率仅与高温热源和低温热源的温度差有关。萨迪·卡诺因此被认为是热机之父。



萨迪·卡诺

  

卡诺循环的逆向运行(卡诺逆循环),也就是空调的工作原理。卡诺逆循环表明:没有外界做功,低温热源不可能降温。这就是热力学第二定律的最初表达形式。然而,由于卡诺仍然相信即将被抛弃的“热质说”,并且他本人英年早逝,因此他的研究很快被人遗忘,没有被追认为熵的最早提出者。

  

依照热质说观点,热是一种可以从物体表面流进或流出,并可在组成物质的原子间找到的一种无质量的流体。虽然我们今天认为热质说是错误的,但是热质说可以成功地解释许多物理现象,因此在当时被很多人相信。


例如,热茶在室温下冷却就可以用热质说解释:热茶的温度高,表示热质浓度较高,因此热质会自动流到热质浓度较低的区域,也就是周围较冷的空气中。热质说也可以解释空气受热的膨胀,因空气的分子吸收热质,使得其体积变大。若再进一步分析在空气分子吸收热质过程中的细节,还可以解释热辐射、物体不同温度下的相变化,甚至大部分的气体定律。


顺便说一句,我们不能因为今天推翻了热质说,就认为它是完全错误的理论。从本质上说,一切理论都是错误的。我们相信的理论,也不过是因为它能够在目前所了解的范围内解释现象罢了。所谓的“绝对真理”是不存在的。我们今天所相信的理论,只不过尚未被证伪的假说而已。

  

德国作为新兴的后发国家,为了实现弯道超车,将大量人力物力投入到对更先进的热机开发中。有一位名叫鲁道夫·克劳修斯的有志青年,从上学时就决定对热力进行理论上的研究。


克劳修斯认为,一旦在理论上有了突破,那么提高热机的效率问题就可以迎刃而解,他的祖国就能够迎来弯道超车的机会。因此他对于热机研究投入了极大的热情和精力。



鲁道夫·克劳修斯


1854年,他发表《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的重量级论文,给出了可逆循环过程中热力学第二定律的数学表示形式,而引入了一个新的后来定名为熵的态参量。1865年他发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的论文,把这一新的态参量正式定名为熵。并将上述积分推广到更一般的循环过程。


克劳修斯从数学上证明:任何孤立系统中,系统熵的总和永远不会减少,或者说自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的。

  

克劳修斯将熵定义为“无用”的能量,也就是说这部分能量虽然依然存在,但是无法对外做功,也就不能被利用。熵的英文entropy源自希腊文entropia,在希腊语源中意为“内在”,熵表示 “一个系统内在性质的改变”。

  

熵增现象可以用如下简单系统来描述。一个绝热容器被一块绝热的隔板分成相等的两格,分别装着不同温度的理想气体。如果抽调隔板,两边的气体将相互扩散,气体分子之间通过相互碰撞传递能量,最终整个系统达到平衡状态,也就是容器内部处处均质化,表现出同样的温度,我们说这时系统的熵达到最大。

  

在熵增理论提出之前,物理学的所有定律对于时间是可逆的。所谓时间可逆的意思是,在动力学方程中,将表示时间的t替换为-t,仍然完全符合物理规律。时间通常与变化联系在一起,然而在研究物质变化的动力学中,无论是在经典的、量子的,还是相对论的动力学中,时间只是外部的一个参量,它没有什么方向。


美国加州理工学院物理学家西恩·卡罗尔(Sean Carroll)表示:“你可能会搞混东边和西边的方向,但你一定不会搞混昨天和明天。但奇怪的是,基本的物理学定律并不区分过去和未来。”


爱因斯坦也坚定地信仰“物理定律没有时间性”。1955年3月,爱因斯坦在接到他终生好友贝索(Michelangelo Besso)死讯后,他给给贝索的家人写了一封信,试着给贝索的家人少许安慰。死并非终点,信中写道:“对我们这些坚信物理学的人来说,过去、现在和未来之间的区别,尽管老缠着我们,不过是一个幻觉而已……”

  

爱因斯坦


但是,有用的能量转换为熵的过程却是不可逆的,因此时间这个维度在物理定律中第一次有了确定的方向。1927年,天文学家兼哲学家阿瑟·爱丁顿爵士(Arthur Eddington)将熵形容为贯穿在我们眼前的一支永不复返的“时间之箭”。

  

克劳修斯进一步指出,当宇宙中的一切状态改变都向着一个方向时,全宇宙必然要不断地趋近于一个极限状态。实际上,这里所说的“极限”状态就是指“宇宙热寂状态”。 因为(所有恒星)都在以同样方式放散热能,能源将会枯竭,再没有任何可以作功的能源了。


  

热寂说提出后,立即在科学界引发轩然大波,其影响甚至远远超出了科学的范围,在欧洲的思想界掀起了一场激烈的大讨论。甚至致力于领导工人运动的革命导师马克思恩格斯也参与进来。


恩格斯在1869年3月21日致卡尔·马克思的信中指出,“这种理论认为,世界愈来愈冷却,宇宙中的温度愈来愈平均化,因此,最后将出现一个一切生命都不能生存的时刻,整个世界将由一个围着一个转的冰冻的球体所组成。我现在预料神父们将抓住这种理论,把它当作唯物主义的最新成就”,用来作为“必须设想有上帝存在”的论证。他在札记中写道:“作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就绝对无法解释,甚至无法理解,因此,就必须设想有上帝存在了。牛顿的第一推动就变成了第一炽热”。


马克思与恩格斯


正如一切哲学家一样,恩格斯虽然从辩证法和哲学的角度批判热寂说,但是并没有太多的说服力。要想真正把人类从这种绝望的世界观中拯救出来,还得回到物理学。


与克劳修斯生活在同时代的英国人麦克斯韦意识到,自然界存在着与熵增相拮抗的能量控制机制,但无法清晰说明这种机制,只能诙谐假定一种“妖”。


还是回到刚才那个简单的系统。当系统达到熵最大后,重新在系统中间设置一个绝热隔板,并且有一个麦克斯韦妖控制的小门。


麦克斯韦妖个头迷你,没啥特别的本事,但眼神好,反应敏捷,能准确地探测并控制单个分子运动,当发现一个高速运动的分子撞向门,则通过控制门的开关,令该分子进入左边格子(如果该分子原本就在左边,则关上门,让其留在左边;如果该分子原本在右边,就打开门,让其进入左边);麦克斯韦妖用同样的方法将低速运动的分子进入右边格子。如此一来,这个系统不仅左右部分形成了温差,还实现熵的自发减少。



麦克斯韦妖



表面上看,麦克斯韦妖没有改变系统中的物质和能量,但是却让系统的熵出现了减少,热力学第二定律在这里“失效”了。


难道,熵增定律真的是有破绽的吗?


要解决这个问题,就需要对熵的本质进行更加深刻的理解。


克劳修斯将熵定义为无用的能量,这只是熵在宏观层面的表现,能量从“有用”变成“无用”,本质上到底发生了什么转变?


与麦克斯韦、克劳修斯生活在同一时代的奥地利人玻尔兹曼,对此进行了进一步探索。这三个人也被并列为热力学奠基人。


玻尔兹曼的贡献是,建立了宏观物理现象与微观状态之间的联系,一个系统的宏观物理性质,可以认为是所有可能微观状态的等概率统计平均值。


玻尔兹曼


玻尔兹曼据此提出,系统的熵实际上是该系统包含可能的微观状态总数的自然对数,用如下公式表示:

  


,其中是玻尔兹曼常数,Ω则为系统宏观状态中所包含的微观状态总数。


可以严格证明,玻尔兹曼公式的另一种等价表述形式是


其中i标记所有可能的微观态,pi表示微观态i的出现几率。

  

为什么微观状态越多,表明系统的无用能量越多呢?


这可以用一个简单的比喻来说明。


一队幼儿园小朋友参加拔河比赛,他们整齐地站成一列,朝着同一个方向使力,就可以对外做功,这样的一队小朋友所包含的状态极为有限,无非是他们排列顺序不同。老师说现在休息,于是小朋友们散开各玩各的,这群小朋友就处于混乱无序的状态,无法对外做功。此时小朋友的状态总数要比刚才高得多,也就是这个群体的熵增加了。


因此,熵虽然与物质和能量相关,但它既不是物质也不是能量,而是描述系统内部的有序度。


物理学研究的对象是物质、能量、时间、空间以及他们之间的相互关系。有序度是个什么鬼?是怎么混进物理学的队伍里来的?


这个问题表面上看起来很简单,但是要回答这个问题,相当于追问宇宙的本质到底是什么。这也牵涉出科学史上一个著名的思想实验:神秘莫测的“玻尔兹曼大脑”。


  


欲知详情,下一篇接着聊。

  

来源:北山浮生谈古论今
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