按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
彩悄芰啃问降囊恢执嬖诜绞剑┠芄黄究詹Ｄ芰恐荒茏荒芷究詹Ｒ虼耍锢硌Ъ以ぱ裕四芰科胶猓钪嬖诖瓷酰蹦芰砍鱿质保欢ㄓ写笮∠嗤⑿灾氏喾吹母耗芰砍鱿帧Ｕ芰砍鱿侄嗌伲鸵欢ù嬖诙嗌俑耗芰俊Ｍ芰抗钩晌镏驶玖Ｗ邮保惨欢ㄓ邢喽缘母毫Ｗ映鱿帧Ｕ饩褪撬担看嬖谝桓稣缱樱欢ㄏ喽源嬖谝桓龈旱缱樱看嬖谝桓稣首樱欢ù嬖谝桓鱿喽缘姆粗首樱庑┱耗芰亢驼戳Ｗ游至四芰渴睾愕纳袷ゲ豢汕址浮！�
第4节：二、时间零点（3）
3．时间之箭
热力学认为，任何时间上向前的过程都是不可逆的，任何现象都是转瞬即逝的。热力学把时间与有序性和无序性这样的概念联系起来，时间的流动就变得显而易见。这是因为在任何孤立系统中都有一种毫不留情的倾向，使得有序程度降低而无序程度增加。例如：往一杯清水中加一点牛奶，奶分子就会和水分子混合在一起并且扩散，最后，牛奶和水的分布就会完全一样，整个液体呈现乳白色的状态。在这个最后状态中，分子的无序性达到了最大值。热力学有个专门描述这种无序性的术语，称为〃熵〃。无序性增加的过程就是一个熵增加的过程，当牛奶和水混合均匀后，这个系统的熵达到最大值，这时液体处于一个平衡状态，奶分子和水分子在混合物中所有各处都是均匀的，不再具有任何进一步混合的能力。
根据常识，我们从来没有见过相反的过程，就是牛奶和水的乳白色混合溶液自发地分成白色的奶和无色的水。这就是热力学描述的时间之箭，它在热力学中称为〃热力学第二定律〃。这个定律说，所有的物理过程都是不可逆的，因为一部分能量总是作为热散失掉了。
如果过于死板地理解这个定律，我们就会注意到下面这个推论：热力学排除了有序结构的自然出现。这就意味着宇宙的整个进程将必然走向无序的混沌，所有星系和星球的最终结果都是走向分散，整个宇宙将沿着一条不归的道路走向死亡，甚至我们所描述的宇宙创生都是不可能的。
这显然是不正确的。事实上，热力学理论正把握着有序生命产生的关键。我们不妨设想一台正在运行的蒸汽机，当蒸汽机运转时，能量转化为所有组成部分的分子运动，这一过程是极端复杂的，但是热力学并不涉及原子和分子，它把注意力直接集中在一些与感觉有关的宏观量上，例如体积、温度和压力。蒸汽机的工作就是把热转化成功，水在锅炉中被加热成为蒸汽，蒸汽冲撞活塞，活塞做功推动轮子的转动。同样，我们也可以通过做功产生热量，当你摩擦双手时，就是在做功产生热量，这说明热和功不过是能量的两种不同形式。这也就是我们在前面所说的能量守恒定律，它在热力学中又被称为〃热力学第一定律〃。
如果你在一件事情发生前能拟订出一份这个事件所有参与的能量（包括物质）的清单的话，在事件的前后总能量总是相等的。唯一的区别是：开始时的能量的一部分或者全部，必定会在事件后作为热量出现。这是因为总有一些能量在某种物理过程中被〃烧掉〃了，例如克服摩擦和空气阻力。任何一个能量转化的过程中，都有因为产生热而出现的能量耗散。虽然热和功是平等的，但是耗散使得它们之间产生了一个十分重要的不对称性。这个现象就是使〃热力学第二定律〃出现的最早推动力。
第5节：二、时间零点（4）
第二定律的含义是：所有的能量转化都是不可逆的。在蒸汽机中曲轴的运动产生了热量，这些热量就是我们说的从有序状态变为无序状态的分子无规则的随机运动。这种无规则运动的能量又有一部分会被空气分子带走，这最终将导致热损耗带来的不可避免的能量损耗。所以我们也就可以从另一个角度描述第二定律：热只能由较热的地方流向较冷的地方，而不能通过把热量从较冷的地方转移到较热的地方而做功。
4．熵与热寂
于是，我们前面提到的〃熵〃的概念出现了，它是1865年由德国物理学家克劳修斯引入的，来源于两个希腊字母，意义分别是〃转移的量〃和〃发生变化的能力〃。熵将第二定律表示得更为明确，将可逆过程与不可逆过程加以区别；熵是这样一个量，它在有耗散的情况下不停地生长，当所有进一步做功的潜力都消耗殆尽时，它就达到了最大值。
〃熵〃无疑是一个很明确的概念，它给了一个明确的时间箭头：熵的增加方向一定与时间的前进方向一致。为了更深入地理解熵的含义，把一些杂乱的、容易引起混淆的因素去掉是明智的。科学家们通常使用一种理想化的情况，把所感兴趣的过程定义为系统，而过程以外任何无关的东西称为系统外界。可以用一个暖瓶来形容一个孤立系统，我们如果只关心暖瓶里面的热水，那么暖瓶里面自然形成的小气候就是一个孤立系统，暖瓶和暖瓶外面的世界就是这个孤立系统的外界。
按照第二定律，在一个孤立系统中自然发生的任何过程，都一定伴随着系统熵的增加。因而熵给所有孤立系统提供了一个时间箭头，当熵达到它的最大值时，孤立系统的时间演化就停止了，该系统就处于它最无序的状态。这时，系统已耗尽了它所有发生变化的能力，它已经达到了热力学平衡。
现在，我们回到我们刚刚萌芽的宇宙。从虚无中创生的宇宙就是一个完全孤立的系统，就像那个暖瓶中的世界，而暖瓶外（如果有外的话）的世界并不在这个孤立系统的考虑范围之内。于是根据热力学的两个定律，我们可以对宇宙这么描述：第一条定律说，宇宙的总能量是守恒的；第二条定律说，宇宙的总熵总是在无情地朝着它的最大值增长。这是一个可怕的推断，整个宇宙的演化就是逐渐退化，最后停止于热力学平衡，此时不会再有任何变化发生。一个完全平衡的宇宙，熵达到最大，不再有任何生命和生机。这就是宇宙的〃热死说〃或者说〃热寂说〃。
5．生机勃勃的宇宙
〃热寂〃是一个非常可怕的景象。但是我们却知道，宇宙似乎并没有按照熵所指引的道路走向死亡，恰恰相反，它不但创生了，而且还在不停地膨胀，没有任何迹象表明它会有一个灰色的结局。这很奇怪，所以我们不得不重新清理一下我们的思路。
第6节：二、时间零点（5）
我们不能否认两件事情：一个是熵增描述的热力学第二定律是经过考验的理论，是自然界至高无上的定律之一，不容怀疑；另一个是宇宙这个孤立系统还在生机勃勃地生长着。那么，一定有一个什么环节我们还没有注意到。
我们再回到那个蒸汽机或者是暖瓶。如果我们让蒸汽机无限缓慢地工作，这样在每个瞬间，系统和外界就会处于热平衡。在这种〃准静态〃的情况下，系统的整体性质不会随着时间而改变，熵会在任何时候都处于一个稳定的最大值，不会改变。这就是所谓的〃平衡态〃。熵最初的定义和计算就是从〃平衡态〃而来，因为只有在这种情况下，熵的具体数值才容易计算。实际上，〃平衡态〃的说法是热力学家们偷的一个懒，事实却是，任何系统都不可能无限缓慢地运动，任何系统也不能完全孤立而不和任何其他外界发生关系。因而熵的最大状态也必须同时把外界的熵计算在内。例如凉了的暖瓶中的水，它一定和暖瓶外的冷空气发生了交换才导致了冷却。热力学家们为了计算简单，总是尽可能避免把暖瓶外面的冷空气带进计算中来，为了不把冷空气引入，只有采用〃平衡态〃这种静态的方式，而事实上这是不可能的。
因此，打破〃平衡态〃才是真正解决问题的办法。〃平衡态〃只能描述热力学演化的终态，即完全静止下来的状态，而不能描述随时间表现的任何过程。计算熵，不能静态地、孤立地计算单个时间瞬间的数值，而是应该和时间结合计算，计算它随时间变化的特性。这就是最终能够解决问题的〃非平衡态热力学〃。
〃非平衡态热力学〃最重要的贡献就是处理系统远离平衡时候的情况。还记得〃伯纳对流花样〃吗？我们设想一个水瓶中的水，如果我们对它不做任何处理，水分子将最终变得无序，但是，如果我们对它加热，水分子们就会开始对流，甚至达到沸腾。初看上去这个现象很奇怪