玻尔兹曼与热力学第二定律

玻尔兹曼与热力学第二定律

现代科学的进步让我们的生活更加美好。让我们从四面漏风的茅草屋住进坚固结实钢筋大厦,从11路公交快进到无人自动驾驶车,从十里不同音到全球同步,科技让改变了我们的世界。

Tips:《盗梦空间》是由诺兰执导,莱昂纳多主演的电影。影片讲述由莱昂纳多扮演的造梦师,带领特工团队,进入他人梦境,从他人的潜意识中盗取机密,并重塑他人梦境的故事。

相信大家都看过莱昂纳多主演的《盗梦空间》,虽然里面的动作戏很好看,但是整部剧的内核却让人不寒而栗。我们的思想竟然能被随意篡改,或被植入一段原本不属于我们的记忆。真实和虚幻的界限到底在什么地方?事实上,物理学上也有这么一个令人惊讶的理论,玻尔兹曼大脑。

玻尔兹曼大脑,是一名叫做玻尔兹曼的科学家基于热力学第二定律提出的一个假想。玻尔兹曼全称为路德维希·玻尔兹曼,是奥地利物理学家,热力学和统计物理学的奠基人之一。他最大的贡献就是将统计学和热力学第二定律结合,得出了能量均分理论和玻尔兹曼熵理论,提出用“熵“来描述物体从有序到无序的变化程度。

Tips:玻尔兹曼最重要的科学方面的贡献是分子运动论,其中包括研究气体分子运动速度的麦克斯韦-玻尔兹曼分布,基于经典力学的研究能量的麦克斯韦-玻尔兹曼统计和玻尔兹曼分布。

热力学第二定律,又称熵增定律。1850年德国科学家克劳修斯提出的热力学定律。描述的是一个不可逆的过程即“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体”。这个理论在进一步发展之下变成为孤立系统中的熵永远不主动减少,熵在可逆过程中不变,在不可逆过程中增加。玻尔兹曼在此基础上,将概率学和统计学引入,进一步将熵增定律解释为,熵的增加表示系统从比较有序的状态向更加无序的状态演变。

在日常生活中,热水总会变凉,墨汁滴进水里整杯水变黑,以及破碎的杯子不会自动粘好等等都体现了熵增定律,即孤立的系统里总是朝着更混乱的方向演变。就好像每次整理完家务,过个两天房间里又变得乱糟糟的。因为熵总是朝着一个方向前进是个不可逆的过程,就像时间永远只能向前,所以也被称为“时间之箭”。

Tips:熵(拼音:shāng)泛指某些物质系统状态的一种量度,某些物质系统状态可能出现的程度。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。

但在物理学的微观层次上,时间是对称的,没有方向。比如说,我们看一部电影无论正放,还是倒放都可以理解影片讲述的故事。你从高楼上任意扔下一个球体,正着放的时候,我们看到球向下做自由落体运动,而倒着放时,球体向上走速度越来越慢。然而,两种情况下球都做加速运动,因此引力始终还是对称的,只是现象不对称,而又当时间压缩到只有一瞬近乎暂停,两者状态又几乎相同。

时间对称就与时间之间发生了冲突,针对这个现象有人提出了一个悖论。洛施密特悖论,又称可反演性悖论,指如果对符合时间反演性的微观粒子往反方向施加速度,在运动的过程中,就会出现熵减,这违背了熵增原理。这个悖论十分尖锐,直指熵增定律的核心。

Tips:如果构造一个闭合类时曲线,实现在时间轴上的反向传递,理论上是存在的,但此时各个坐标都为无理数,即存在强烈的时空振荡,无法完成传输,所以时间倒流不能实现。

在一段痛苦的时间后,玻尔兹曼提出:熵增过程并不是一个必然的过程,而是统计性的。在一个宏观的系统中,熵不会总是增加,而是有很大概率会增加。即熵增出现的概率极高,熵减的概率极低。这就是著名的玻尔兹曼熵定义。

既然在一个系统中,高熵的概率极高,低熵的概率极低。而根据热力学第二定律,熵总是增加的,反推回去就说明最初的系统有极大的可能是低熵状态。也就是说宇宙是从低熵开始演化成高熵。但是低熵状态又是从何而来呢?

Tips:热力学thermodynamics,是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科。属于物理学的分支,它与统计物理学分别构成了热学理论的宏观和微观两个方面。

根据玻尔兹曼的理论,在一个系统中高熵出现的概率极高,而低熵出现的概率极低。那最初的低熵是怎么来的,是上帝或者外星人凭空创造的?就像福尔摩斯说的排除一切的不可能,那剩下的不管多么难以置信,一定就是线%的可能是从高熵状态演化而来。也就是说宇宙的起源是从高熵到低熵,是一个熵减的过程。因为最初是低熵所以现在才朝着高熵演化。那这种熵减的过程是不是违背了热力学第二定律呢?

Tips:热含量是指单位质量的物质从0°C加热到T°C所需的热量称为该物质在T°C时的热含量。

玻尔兹曼说,熵增定律只是宇宙演化中的一个涨落现象,热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”。即围绕着它的最大值上下波动,且幅度越大的波动,出现的概率越小。但这并不违背熵增定律的普适性原理。比如常见的可乐汽水,水中二氧化碳气体小分子,不断地运动冲撞瓶身让我们感受到持续的压力。这些气体分子的碰撞力度和数量都是不同的,但是得到的结果却相差不大,只是由于基数太大其中的差距被我们给忽略掉了。

相信大家都听过滥竽充数的故事,在众多的乐师之中有一两个外行混迹其中,一般情况下我们是不会发现其中的差别,只能在单独演奏时才会发现其中的“南郭先生”。这些小分子也是如此,即使在一个系统中,它们之间也会有差异,每次撞击的力度会有些微的波动,而这些波动就是涨落。

Tips:汽水,一种清凉饮料。把大约2~3大气压的二氧化碳密封在糖水里,就会有部分的二氧化碳气体溶解在水中,二氧化碳在水中就形成碳酸,汽水给人的那种刺激味道就是因为碳酸的缘故。

在整个系统中高熵出现的概率确实很大,但是低熵也不是没可能出现。只要时间够长,一群大猩猩都能学会简单的计算呢。老话说得好只要功夫深,铁杵磨成针。只要等待的时间够长,再魔幻的小概率事件,比如中千万大奖、外星人登陆地球都是有可能发生的。这种小概率事件就是“涨落”的结果。涨落中,越大的涨落越不可能发生,小的涨落时常发生,就像大海随时都在涨潮,但是大的海啸少有发生。不过只要等的时间够长,还是会出现大的涨落。

根据玻尔兹曼的涨潮理论,在宇宙漫长的进化史中,多数情况下处在高熵状态,并保持这种状态。但偶尔也会发生一些波动,虽然在宏观上不怎么明显但不代表没有涨落。当宇宙的时间足够长,在某一时刻会发现宇宙中发生了极大的涨落,大到出现了我们这样的低熵宇宙。

Tips:潮汐,是发生在沿海地区的一种自然现象,是指海水在天体(主要是月球和太阳)引潮力作用下所产生的周期性运动。

所以我们生活的低熵宇宙,就是在宇宙的涨落中出现的一个小概率事件,是漫长时间中必然会发生的涨落。我们的宇宙出现是熵减的过程,但我们现在处于熵增状态,正在回归热平衡。

宇宙是极大的,而大的涨落概率是极低的。我们这种低熵宇宙出现的概率是比几千亿分之一还小的,甚至比奥特曼出现大战金刚的概率还小。但既然我们存在这个宇宙中,那么就证明我们发生了涨落。整个宇宙太过宏大,我们所能观测到的最远的星系是银河系,里面包含了无数的天体,这些都可能处在这种涨落之中,都可能支持生命存在。

Tips:银河系(Milky Way Galaxy),是太阳系所在的棒旋星系,呈椭圆盘形,具有巨大的盘面结构,最新研究表明银河系拥有四条清晰明确且相当对称的旋臂,旋臂相距4500光年。

但是明明一个太阳系就出现了生命存在,所以是不是太阳系的发生了涨落呢?毕竟我们能够观测到的部分宇宙发生涨落的概率远大于整个宇宙发生涨落的概率。如此思考下去,是不是只有地月系统发生了涨落呢?又或者说只有地球发生了涨落,和太阳系相比,地球周边发生的概率又要大一些。

再进一步,干脆只有我们的大脑发生了涨落。在广阔的宇宙中,在一个极其微小的氛围内涨落出一个大脑,可比整个宇宙的涨落概率大多了。大脑具备人类所有的意识和记忆,就像是电脑的主机。它会接收周围所有的信号,认为宇宙就是它所观察到的,除了它宇宙之中不存在任何生命。我们所观察到的所有物理现象和历史其实都不存在,我们就这样被欺骗了这就是玻尔兹曼大脑。除了我们之外还存在着七十多亿个类似的大脑。

Tips:玻尔兹曼大脑通俗来讲,是指在无限长的时间里,任何可能发生的事都会发生,而且会发生无数次,比如出现一个认为宇宙是现在这个样子的大脑,这种大脑就称为玻尔兹曼大脑。

从玻尔兹曼大脑还延伸出了“缸中之脑”,假设一个疯狂的科学家把一个人的大脑取出,放进充满营养液的大缸中维持生命。然后将大脑的神经系统连接到电脑上,计算机向大脑传递信息,让他保持一切正常的活动。对这个人来说,他每天的生活还和以前一样,每天喝喝咖啡、遛遛狗、去海边度假完全没有一点不同。甚至还可以被输入一段信息,发生一段美好的爱情。

Tips:“缸中之脑”是希拉里·普特南(Hilary Putnam)1981年在他的《理性,真理与历史》(Reason、Truth、and History)一书中,阐述的假想。

你以为的真实的正常生活,实际上是电脑输入的一段记忆。我们就像是游戏中的角色,自以为做到每一件事都是自己的决定实际上是玩家指令。玻尔兹曼大脑可以随机涨落出自我意识,一段虚假的记忆更是手到擒来。这可比涨落出一个低熵宇宙简单多了。

玻尔兹曼大脑定律是基于统计学和热力学第二定律所推导出来的,但是得出的结论是这些定律都不存在,这就自相矛盾。所以玻尔兹曼的大脑和缸中之脑都只是悖论。现代科学的发展是一个动态,每天都有新的发现,就是我们现在所看到的原理和理论都是在上千年的历史中,不断建立、推翻、再建立的。

Tips:自我意识也称自我,指的是个体对自己的各种身心状态的认识、体验和愿望。它具有目的性和能动性等特点,它对人格的形成、发展起着调节、监控和矫正的作用。

科学的发展是一个过程。就拿热力学第二定律来说,它也是经历了克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼等几位科学家的研究,最终才形成的现代物理学中的定律。所以这些理论都不是完美的,都存在着缺陷,完善这些理论还需要长时间的积累研究。

就玻尔兹曼大脑而言,他存在的基础是熵增定律。熵增定律有两个要求,一个是封闭系统,一个是无外力干涉。而我们的宇宙并不是一个封闭的系统,虽然我们目前观测到的部分很小,但不代表宇宙就只有我们观测到的那么点儿大。所以在这个层面熵增定律就不成立,所以玻尔兹曼大脑也就不存在。

Tips:宇宙Universe,在物理意义上被定义为所有的空间和时间(统称为时空)及其内涵,包括各种形式的所有能量,比如电磁辐射、普通物质、暗物质、暗能量等。

从生命的角度看,我们人类的生命活动也不是一直朝着熵增的方向演进,而是熵减。我们一边从肉类、蔬菜中补充能量一边又大量地向外释放能量。根据这种原理比利时科学家伊里亚提出了“秏散结构理论”。我们的科学在不断的进步之中,也许还有许多定理不能解释物理现象,但是随着时间的推移这些谜团终究会被一一解开。就像古人对地球的认知从一开始的天圆地方到现在的球形,从地心说到日心说,从盘古开天辟地到宇宙大爆炸。

Tips:耗散结构理论是研究耗散结构的性质及其形成、稳定和演变规律的科学。耗散结构理论以开放系统为研究对象,着重阐明开放系统如何从无序走向有序的过程。

人类对未知的探索和好奇是推动科学进步的桥梁,玻尔兹曼大脑虽然是个悖论,但不可否认这种可能的存在,它让人们去研究其中的真实性,也间接的推动了科学的发展。

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