熱寂,定義并不甚明了,用來形容宇宙的最終命運(yùn),在物理界卻盡人皆知。
宇宙的終局,或者,人類認(rèn)識(shí)范圍內(nèi)的任何一種客觀存在,如果當(dāng)做孤立系統(tǒng),最終的結(jié)局必然是熵達(dá)到極大值,在那之后,倘若時(shí)間的概念仍然存在這一點(diǎn)并非天經(jīng)地義,系統(tǒng)本身也不會(huì)有任何變化,成為真正意義上的一潭死水。
熱力學(xué)三定律,一百多年前的科學(xué)原理,給出的就是這樣的一種景象。
在理查德費(fèi)曼面前,方然沒有解釋這些基本原則的必要,他只是言簡意賅的道出疑問。
“宇宙的末日”,這,是任何一個(gè)學(xué)習(xí)過現(xiàn)代物理,特別是熱力學(xué)的學(xué)生,多多少少都會(huì)思考過的問題。
區(qū)別只在于,尋常人的這種思考,很快就會(huì)被生命的逝去、和時(shí)間的流逝沖刷殆盡。
一旦意識(shí)到人的一生何其短暫,遙遠(yuǎn)到不可思議的宇宙之末日,再怎樣努力,也無助于解決眼前的問題,這種思考就會(huì)知趣的無疾而終,甚或用“人類連十年、二十年后的世界都無法預(yù)測(cè),又怎能奢望洞悉宇宙的奧秘”來自我安慰。
但是方然呢,即便只是一個(gè)永不下車的憧憬者,無限長的生命還是未知數(shù),思維的角度,也已經(jīng)和常人大不相同。
熱力學(xué)定律,自身而言,是基于統(tǒng)計(jì)的直白敘述。
想象一個(gè)充斥空氣的密閉空間,在沒有外界的物質(zhì)、能量影響時(shí),其中的空氣分子,會(huì)大致均勻的分布在整個(gè)空間里,而幾乎絕對(duì)不可能自發(fā)的集中在空間一側(cè)、讓另一側(cè)出現(xiàn)真空事實(shí)上,即便通過外力,讓這種情形出現(xiàn),一旦撤去外來的干涉條件,氣體分子會(huì)迅速向真空一側(cè)擴(kuò)散,經(jīng)過或長或短的時(shí)間,最終,空間內(nèi)又會(huì)變成分子大致均勻分布的平衡態(tài),或者,終末態(tài)。
考察處于平衡態(tài)的空間,微觀上,任何一小塊空間內(nèi)的分子數(shù)量,總會(huì)有微弱的漲落起伏,但是從宏觀上,分子的分布則非常均勻。
為什么會(huì)這樣呢,淺顯的表象,背后蘊(yùn)含的機(jī)理卻極端深刻,方然并無法看透。
只能說從形而上學(xué)的角度,統(tǒng)計(jì)規(guī)律,可以用來解釋這樣一種現(xiàn)象:考慮空氣分子在空間中的分布,可能的方案有如恒河沙數(shù),但其中絕大多數(shù)方案都是分子近似均勻分布、平平無奇的那種,所有分子聚集在一半空間、另一半出現(xiàn)真空的方案,則只有其中的極少數(shù)。
譬如說,在上面的案例中,如果空間內(nèi)有10,000個(gè)空氣分子,將空間等分成、兩部分,則所有空氣分子在其中任意分布,可能的情形會(huì)有2^10000之多。
2^10000,毫無疑問,這一數(shù)字是難以想象的巨大。
然而所有空氣分子都跑到一邊、另一邊出現(xiàn)真空的情形,又有多少種呢?
要么所有分子都在,要么所有都在,數(shù)一數(shù),這樣的極端情形為何幾乎不可能出現(xiàn),原因也就不言自明:
這種情形,只有區(qū)區(qū)2種方案,可以做得到。
10000個(gè)空氣分子的任意分布,自發(fā)出現(xiàn)一半空氣、一半真空的概率是12^9999,這個(gè)數(shù)字究竟有多小呢,數(shù)學(xué)家可能會(huì)感興趣,但是對(duì)物理學(xué)家而言,實(shí)踐意義上,如此微末的數(shù)字根本就等于零。
而且這還是區(qū)區(qū)10000個(gè)空氣分子的情形
實(shí)踐中,哪怕一立方厘米的地表空間,在零攝氏度、標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí),都會(huì)充斥著2710^19個(gè)空氣分子。
規(guī)模越大,偏離平均分布的情形,越會(huì)罕見到根本不可能出現(xiàn)。
雖然是用分子位置舉例,換成其他的物理量,譬如速度、能量,也是一樣道理。
建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的熱力學(xué)三定律,道理,非常簡潔,雖然背后的機(jī)理深不可測(cè),站在不求甚解、只看結(jié)果的角度,其正確性卻是不言自明。
但,一旦將這些定律應(yīng)用到宏觀層面,甚至宇宙這樣的尺度,又會(huì)怎么樣呢。
絕對(duì)正確的熱力學(xué)三定律,與民眾的誤解不一樣,原則上,并不排除系統(tǒng)狀態(tài)的極端化,也就是進(jìn)入一些相對(duì)不太罕見、不太容易自發(fā)形成的狀態(tài),這種現(xiàn)象,在客觀世界司空見慣,用學(xué)術(shù)語言來講,是系統(tǒng)可以借助外來的能量、或者說低熵源,來影響自身粒子的分布和行為,即,降低自身的熵值。
正因?yàn)檫@樣的規(guī)則,在蓋亞,才衍生出從自然現(xiàn)象到生命奇跡的一系列眼花繚亂。
可是再怎樣紛繁蕪雜的世界,物理上的過程,熵的增加,或曰,系統(tǒng)分布從罕見狀態(tài)到常見狀態(tài)的滑落,卻是絕對(duì)無法違抗的宿命。
蓋亞,年齡逾四十六億的古老存在,分布在其表面的生命形態(tài),萬變不離其宗,都需要外界提供的低熵源來維持自身的生命活動(dòng),低熵的來源,本質(zhì)上都是一點(diǎn)四億公里外的恒星,所發(fā)出的光芒。
生命依賴恒星的光和熱,才能生存,科普讀物往往從能量轉(zhuǎn)移的角度描述這一過程。
這樣講,當(dāng)然是正確的,不過從熱力學(xué)的角度,發(fā)生在恒星到生命體、再到環(huán)境的熵轉(zhuǎn)移,才是更本質(zhì)的陳述。
生命的跡象,一切都依賴于熵的轉(zhuǎn)移,這是方然關(guān)注的核心問題。
因?yàn)檫@也就意味著,倘若要永生,要擁有無限長的生命,僅僅假設(shè)宇宙本身萬世長存,直到永恒,只是一個(gè)必要條件。
根本上講,要切實(shí)的永生不死,還要有一個(gè)永遠(yuǎn)存在的低熵源。
但是這可能嗎
“你可能還不清楚,熱寂,概念上本身就不太嚴(yán)謹(jǐn)
而且在學(xué)術(shù)界,這也是一個(gè)比較陳舊的概念,現(xiàn)在的物理研究者,大多都不認(rèn)可!
方然的疑問,在費(fèi)曼教授眼里,似乎根本就不是什么煩惱,
“看來,你還是有基本的熱力學(xué)定律,和統(tǒng)計(jì)物理的一些背景知識(shí),那么對(duì)宇宙的演化,你了解多少?”
“這方面所知有限,我的認(rèn)識(shí),還停留在宇宙大爆炸的階段!
實(shí)話實(shí)說,方然可不想在教授面前賣弄學(xué)問,畢竟他是來請(qǐng)教問題,而不是在面試。
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