科研和热力学第二定律漫谈:追求对这个美丽的世界认识

半个世纪以后,玻尔兹曼从微观的角度给出了热力学第二定律的解释。他把所有的物质都当成无限个微粒组成,通过统计学的处理,给出了一个数学表达式(S = K* logW),说明熵是系统无序度的度量。

作为一个普通学校的青椒,日常除了科研以外,教学也是自己的工作。起先,我很反对教学,觉得耽误了科研,但经过两年的物理化学课程的授课,我反而喜欢上这种状态,觉得教学和科研相得益彰,使人受益匪浅。这里我分享一个热力学第二定律的故事。

科研就是对未知的探索,充满的未知性和惊喜。1676年,莱布尼兹在观察两个物体碰撞的时候发现碰撞有动量的传递,他把这种动量称为“活力”。150年以后的蒸汽机时代完美的应用了这种“活力”,使得英国通过蒸汽机引擎获得了巨大的能量和财富。1814年巴黎受到多国联军的攻击,法国这次的失败激发了一个叫卡诺的年轻人的士气,他认为英国之所以是英国就是因为蒸汽机,所以他花费大量时间研究蒸汽机,1824提出了不朽的作品《论火的动力》,他解释了蒸汽机引擎的原理和最大功率。很可惜,36岁的卡诺因为霍乱去世了,那个年代的欧洲传染病是不治之症。

 

图1 卡若和蒸汽机

半个世纪以后,克劳修斯重新捡起了卡诺的文章,在卡诺的基础上提出了热力学第二定律。根据能量守恒定律,能量不会增加也不会消失,在各种能量转换的过程,消耗的能量只是转换成了另一个形式(蒸汽机只是把热能转换为了机械能)。能量转换的方向和极限就是热力学第二定律,一个简单的说法——热不能自发的从低温物体传给高温物体。克劳修斯很自信,用了一个熵的不等式来表达能量转换的方向和极限(dS/dT≧0)。这说明在任何孤立的系统,发生自发的变化时系统的熵总是增加的,非常不可思议,但真的很天才。

半个世纪以后,玻尔兹曼从微观的角度给出了热力学第二定律的解释。他把所有的物质都当成无限个微粒组成,通过统计学的处理,给出了一个数学表达式(S = K* logW),说明熵是系统无序度的度量。很可惜,那个年代还没有人能理解,他们想象不来分子和原子的概念,最后玻尔兹曼在一片质疑声中自杀了。现在我们很喜欢从微观的角度来分析宏观的变化!热力第二定律推广到宇宙,就是系统的熵一直在增加,无序度一直在增大。但如果这样,我们是什么?生命又如何存在?很难说清楚,宇宙太复杂了,在从有序到无序的演变中也会产生新的产物和秩序,但整体的熵在增加,而我们这些低熵的物种或许就是无序演变中有序的涟漪。

 

图2 玻尔兹曼的墓碑

不知道各位看懂没有,不过这样的一个故事真正的改变了我的三观和科研态度。毕业找工作的时候我也非常迷茫,不想继续科研,我没有找到继续做科研的源动力。最后还是留在了高校,必须面对科研。我对科研的迷茫更大成分来自于对自然世界的无知和宇宙规则敬畏。但这种迷茫的科研状态近年由于物化这门课改观很多。纵然最终人类或者宇宙都逃离不了热力学第二定律,但能够在这个短暂的生命认识自我是非常快乐的。科研的初心和目的不应该是成为学术明星,作为一个农村出来的小孩能够有机会学习科学从事科研工作,我应该追求对这个美丽的世界认识和兴趣。

 

图3  宇宙演变

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