查字典图书网
查字典图书网
高四的时候，我偶尔会盯着物理课本上爱因斯坦的相片，对这个人充满好奇。他的眼睛能看穿宇宙奥秘，微笑的嘴角可以解释神的想法，而且发型就像是去参加啤酒聚会时醉倒，结果被朋友用蛋白和吹风机恶搞过一样。这位谜样的天才究竟是谁？他为什么无法解开如何使用梳子的难题？路西铎教练讲解过热力学第二定律后，我的问题全部得到解答。 升上高四前，我已经充分理解热力学第一定律：能量不生不灭，只会改变形态。我本人就是把重力位能转换成动能的高手，可以和我朋友艾咪从她位在二楼的房间窗台跳下来，却不会压坏她妈妈种的栉瓜；还可以对着无辜者的后脑勺发动多次准确的橡皮筋攻击，练习将弹性位能转换成动能（好孩子不要学）。 学会热力学第一定律所说的能量转换后，就可以进到下一阶段。路西铎教练接下来说的热力学第二定律，带来一个惊人的消息：混乱只会不断增加。这个世界的每个过程、活动、改变、颤动，都让它更没有秩序。还有更令人不安的呢，这些会增加混乱的活动是不可逆的。就像被橡皮筋射瞎的眼睛，没有机会重见光明。 为了让我们了解“不可逆”是什么意思，路西铎教练要我们想想大家都很熟悉的能量转换情况：木柴在火炉里烧。他问班上同学，如果木柴烧过了，该怎么做才能把它复原？我们可以试着反转燃烧过程，把它给我们的热能还回去；甚至可以用光照一照，把它给我们的光也还回去。但是不管怎么加热或用光线照射，那一堆可怜的焦炭都无法恢复原状，只会得到变热、照过光、烧得更透彻的木柴。了解热力学第二定律，就不用再多花时间烦恼怎么还原，还能让我们接受事实，继续向前。 平常聊天的时候，如果把日常的混乱称为“熵”，不但所有人都能接受，还会觉得富有诗意。但如果谈的是热力学第二定律，我们就要讨论“熵”对科学家还有工程师来说有什么意义。我们用一种十分特别的方式（而且是自我满足的方式）定义熵：系统能量无法做功的程度。换句话说，熵就是系统能量不受控制、无法使用的一种度量，而工程师最喜欢的工作莫过于控制热能，好让他随意使唤，这正是我们所钟爱的各种机器与发电厂背后的核心想法。我们采取的第一个步骤，就是运用煤、石化燃料、天然气或核能制造蒸汽、推动涡轮。涡轮接着转动发电机，我们便由此取得电力。早期的热能转换是以蒸汽推动火车、轮船、牵引机，甚至是印刷机。但说实在的，我们无法充分运用蒸汽里的能量。 我们说“无法做功”，暗示着能量有“集中”或“分散”两种形式。如果我们有个装满蒸汽的金属槽，它当然可以推动小型蒸汽引擎的活塞。但如果我们打开阀门、释放一些蒸汽，好增加实验室的湿度，那么从蒸汽而来的能量就分散了，除了提高皮肤的保湿度外，无法将能量供应给其他东西。 测量每个分子的动能（运动）会是件令人头疼的工作，因此我们用温度来测量分子的“平均能量”，而不是一一去测每个分子的能量。如果站在分子的层次看看这些蒸汽，就会发现有一大堆水分子以之字形的路径跑来跑去，互相碰撞。令人吃惊的部分在于：即使是处于某个稳定温度下的一缸蒸汽，各蒸汽分子的速度依然不尽相同。若把这些蒸汽分子的动能（和速度成正比）画成图，看起来就会和某个城市里所有人的IQ分布图很像：有一些跑得非常快，有一些跑得非常慢，还有一大堆速度普普通通的。 ◎ 别睡在蒸汽烤箱里 现在我们已经确定了熵要怎么定义。接下来要举一个实例，了解即使你并非有意造成一场混乱，它还是会持续增加。 假设你去洗桑拿，在蒸汽烤箱里觉得昏昏欲睡，心想就这样睡着恐怕不太安全，于是在打盹前关掉加热器，还把门打开。结果当你醒过来的时候，不但冷得发抖，还发现自己紧抱着一条湿毛巾。隔壁房间稍微变暖了一点点，而蒸汽烤箱则变凉了许多——各个房间的温度都变得差不多。在温度平衡的过程中，其他房间里的分子能量获得提升、速度加快；而蒸汽烤箱里的分子能量因此降低，速度也变慢。整体说来，熵增加了，有用的能量变少。这当然跟我们有关，牵涉到如何运用能量以供应一人独享的蒸汽烤箱和蒸汽机。 ◎ 麦克斯韦的分类小恶魔 19世纪中叶有位麦克斯韦先生，这位聪明绝顶、留着一脸大胡子的科学家进行了一场思想实验，想找出是否有什么状况可以减少熵（即使是想象的也好）。 麦克斯韦想象有个小人，把热（速度快）的空气分子和冷（速度慢）的空气分子区分开来。后来，他亦敌亦友的同行开尔文男爵把这个小人称为“麦克斯韦小恶魔”。 照麦克斯韦所设想的，把一大群空气分子关在隔成A、B两区的容器里，隔板上有一个小闸门，小恶魔的工作就是要负责把关，只让动得慢的分子通过闸门从A区前往B区，或是让动得快的分子从B区前往A区。小恶魔能得到这份差事，是因为即使在一堆热空气中，仍然有一些动作比较慢的分子；而在一堆冷空气中，也会有动作快的分子。 所以，如果有这么一种能隔开分子的小坏蛋，系统的熵就会减少。冷的部分会越来越冷，热的部分越来越热。小恶魔会把熵带来的混乱赶走，热力学第二定律就会变成热力学第二假说，到时候就会有一场游行，人们高举着布条，上头写着：“再会啦，一直增加的混乱！第二定律破解了！我们自由了！” 在摆脱熵的控制而兴高采烈大肆庆祝前，再让我们仔细检查一下麦克斯韦的小恶魔。必须有什么东西供应这了不起的小家伙能量，它才有办法四处抛出小得不得了的套索，把动作慢的分子和动作快的分子隔开。因此，我们要帮小恶魔装个引擎或燃料电池或核子燃料，可是它无法充分运用这些能量。我们早就从其他引擎的例子学到教训，不管是那只小恶魔、加了燃料的机器，或是我们的身体，没有任何东西的能源利用率可以达到百分之百。举例来说，燃料可以让汽车的轮子转动，但同时也浪费了热量让引擎盖变热、排放热乎乎的废气，还搞出一大堆噪声。我们没有理由期待小恶魔能有更好的效率，所以即使有了小恶魔的专业协助，把高能量分子和低能量分子隔开，我们仍要面对系统总熵增加的事实。 麦克斯韦48岁就过世了，没有机会回答对他那只小恶魔的评论——反正他也不以为意。他做出这个小恶魔的思想实验，只是要让大家看到热力学第二定律所描述的事情并不是在玩文字游戏，而是把这些分子的行为做了个总结；而且，有只叫“麦克斯韦小恶魔”的虚拟生物实在很酷，老师可以跟他的年轻学生说，那家伙长得像龙，而且每天都会跟到学校。小朋友听了一定会信以为真。 ◎ 宇宙的乱中有序 想了解到底什么是熵，不妨看个没那么科学的模拟。请小心你的脚步，我们即将进入极度非专业的领域。我只是想让大家看看如何定义熵，以及熵是怎么增加的。我们可以说，在妈妈肚子里成长的小宝宝，就是大自然展现其混乱无序的一种神奇方式。 某天睡饱午觉，你和太太在浴室里一起洗了好半天的澡，却不是因为忙着刮胡子或洗头发；或是在某个停电的冬夜，你们在床上抱成一团滚来滚去，全都是制造宝宝的好机会。在那之后，发生了一些令人难以置信的组织变化：一个小小人靠着细致的脐带逐渐成形，有小小的手指，而且很倒霉地有个像爷爷的大鼻子。这个过程应该违反了热力学第二定律吧？如果每件事都朝向混乱，这场超级精密的组织化盛宴该如何发生？ 现在你往后退两步，看看更大范围的世界，就会发现总体来说，混乱度仍持续增加。准妈妈所吃的食物是靠太阳的能量成长的（一大堆食物，而且想吃就要吃到，不准任何人多说一句话）。准妈妈的身体吸收食物营养，用来制造婴儿的细胞，这整个过程都很没效率。终于，这个小小的奇迹愿意从温暖的小窝里出来，用初生的肺部吸入第一口空气，哇哇大哭。简单来说，光是把他制造出来就已经燃烧了一大堆能量，全部源自我们生活中最集中的能量来源，也就是太阳（感谢老天，太阳有很多很多能量可以用。它要花上几十亿年才能把这些能量燃烧、四射、发散）。 ◎ 不可逆程序才能帮你保守秘密 假设你担任密探，拿到一张打印出来的纸，上面写着如何找到政府设在土耳其的情报站。这时你必须熟记哪些过程可逆，哪些过程不可逆。现在你已经把相关方位记住了，还在附近找了家餐厅，享用羊肉丸子配上无花果冰沙。问题来了，你是要把指令撕掉呢，还是烧掉比较好？哪个才是真正不可逆的程序？ 就算只是政府雇来的实习生，只要把他关在一个不见天日的碉堡里够久，就有办法把一堆撕碎的纸片拼回完整的纸。然而，花再多力气也无法让一张烧毁的纸还原成本来的状态；即使是把散发出来的热和光等能量还给它，纸和上面画的地图还是无法回到刚刚可读取的状况。能量以混乱无序的方式燃烧、四射、分散，根本不可能重回秩序，所以撕掉这个选项就出局了。比较好的方法是：在旅馆的厕所里很快把纸烧掉，并且在烟雾侦测器启动之前丢进脸盆冲走。你不需要整个房间泡在水里、警示灯还会一闪一闪的那种混乱，只要够用就好了。 ◎ 生活物理学：驾驭混乱无序 如果想应付无法避免的混乱，重点在于：培养正确的数量和种类。把你的努力投注在不可逆的程序上，让它们为你所用，并且把无法避免的混乱导入不会对你造成伤害的地方。 只要用到能量，混乱就会增加。该怎么做，才能让它们乖乖听话？难道你的生活一定要很混乱，一次比一次疯狂，到最后还必须改名换姓逃到国外去才行吗？热力学第二定律所附的小字说明会帮你指点迷津：适用于封闭系统中。你可以画一条小小的虚线，把任何系统围在里面——宇宙、行星或纽约市的某一个游戏场。如果你把系统定义为自己的人生，就可以暂时把混乱导入人生中某个你不太需要在意的位置。 有些人在人生某个阶段会希望自己过着极度混乱的生活。我的理论是：即使我们不知道热力学第二定律的确切名称，但出于本能，我们依然了解宇宙中的乱度必须增加。为了人道理由，轮流或许是个很公平的方式，全心全意投入失序的生活，平衡其他守秩序的家伙应该制造出来的乱度。但不管什么情况，太积极拉拢混乱还是很危险的。当你把前女友的个人物品全扔进前院生起的火堆时，随着远处的警笛声越来越清楚，你心里的感慨也会越来越深。 坐着颠簸的小飞机飞越阿拉斯加冰河、第一次以戏剧制作人的身份参加令人不安的开幕夜，或是想为最要好的朋友做虾汤，结果却把厨房给毁了。有了这些经验后，我已经学会如何让激动的心情恢复平静。我知道人生如戏、不如意事十之八九、生活就是充满混乱，熵不管怎么说都行，我宁愿让它像位受邀的客人，在桌边占一席之地，却不希望它像个不速之客，总在奇怪的时间或地点来访。 我花了一些时间区别什么是好的混乱，什么是不好的混乱，而现在光是用闻的，就能分出两者有什么差别。危险、没有生产力的混乱，闻起来就像不小心被烟头烧到的塑料沙发；好的混乱闻起来则像是海边那根被雷雨浇熄火苗的漂流木。它们都散发出类似的烟味，却各有特色。只要勤加练习，你也可以大老远就嗅出两者的不同。一种阴沉而油腻，另一种清新而蓬勃。 为了确定混乱知道我有条件欢迎它进入日常生活，我把口香糖包装纸、苹果核和加油收据全扔在副驾驶座的地板上。而且我这么做的时候，还故意虚张声势，好让掌管熵的女神注意到我已经献上祭品。我让生活中这小小一块区域成为众人皆知的尴尬灾难。 如果有谁对我无法保持车内清洁感到不以为然，在上车前瞪我一眼，我也只会轻轻耸耸肩，表现出一副无能为力的态度。我想用这个动作告诉乘客：没错，我就只能做到这样。要车子变得更整齐？不可能。拜托，坐好、系上安全带可以吗？这些空咖啡杯可以当成额外的安全气囊。我拒绝用不诚恳的道歉让自己奉献给热力学第二定律的这些贡品失去价值。 请让我人生这块小小区域保持混乱、让我在这小小宇宙里遵循热力学第二定律，我已经帮熵找好一块无关紧要的聚会场所。就像爱因斯坦，在他脑子里，整个宇宙都井然有序。他想了解宇宙里的各种作用力之间有什么关联、在大爆炸那瞬间如何产生这些作用力；他想为组成原子的所有东西找到定义，还想量化它们的性质。他忙着整理整个宇宙，而里面有好多东西等待厘清、等着被驯服。光是要问对问题就够难的了，更别说要把答案化约成简洁而优雅的公式。所以，他让混乱驾驭一部分的日常生活而且用不着解释或对其他人感到抱歉：他把那一头乱发献给掌管熵的神祇。那家伙真是个天才。 * 物理练习 一、热力学的第一和第二定律都出现了，不过还有个来不及取名字的假设，说不定可以称为“热力学第零定律”。内容是这样的：如果两系统各自与第三系统达到热平衡，那么这两个系统也达到热平衡。 这样说可能对第零定律有点冒犯，毕竟这个名字已经够尴尬的了。按照以上说法，如果A和B都很像C，那么A和B便彼此相像。很显然的，科学家必须用它来厘清一些与热性质有关的事情。让我们想想看那些再明显不过的第零定律。 A. 第零运动定律会是什么？ B. 墨菲第零定律呢？ C. 报酬递减的第零定律。 解答： A. 如果某物体处于运动状态，那它就在动。 B. 如果某件事可能出错，那它也可能不会出错。 C. 如果你不做点事，就绝对无法有所收益。