Monday, May 4, 2015

The strange business of entropy

 
網誌怪異的熵

17世紀牛頓發表其力學理論後,物理學下一個較突出的里程碑是19世紀前期熱力學的出現。

熱力學的第二定律,是熱力不可以自行從一低溫地方流往另一較高溫地方。這源於任何溫度、氣壓等出現的差異,最終都會歸零。「熵」(entropy) 就是用來描述這過程的進度。1865年,克勞修斯 (Rudolf Clausius, 1822-88) 以純理論算出熵的定義,並指出熵只可增加,不能減少。即昨天的熵少於今天的熵,今天的熵少於明天的熵。(偶或有一處地方的熵減少,例如雪櫃令物體冷卻,但一定會有另一處的熵增加,結果總體的熵仍會增加。)

Rudolf Clausius
 
常見的例,是一團熱空氣遇上一團冷空氣後,不可能再次分離,最終並達至一均衡溫度。在原子/分子層面上看,事物是從整齊有律,發展至混沌無序。

由於過程不能逆轉,第二定律間接是說,時間只可向前,光陰不可倒流。這不難理解,許多人都聽過乘搭時光機回到過去,但最終未能影響事情的發展 (如父親跟未來母親的邂逅,然後誕下自己) 。然而,第二定律在現今已有的物理學定律中卻是異數,因為後者是不問時間方向的雙向路 (即無分過去未來,像將電影片倒轉放映欣賞也無妨) 。熵走的卻是單程道。

用熵的概念看整個宇宙,千百億年後全部事物最終會達到熱平衡,所有東西共融,熵值由起始最低趨向終極最大。這是否意味著宇宙有始有終?如果宇宙有一個開始的話,那麼這個開始之前是什麼?宇宙的開始不可能是虛無,因為大霹靂 (the Big Bang) 作為宇宙的起始不是空虛的,是有物質 (或能源) 的。是故,有所謂宇宙循環論,說宇宙的演變是有周期的。開始時是引力 (地心吸力) 將物質凝聚,大霹靂隨之發生,再經過超新星的出現,而產生較氫氦重的元素,跟著是化學進化,然後是物競天擇生物進化並繁衍,最後出現複雜無比的腦袋。期間宇宙不斷膨脹,然後收縮,終極崩潰,再周而復始。

如果是這樣的話,是否有某些過程或步驟於終局時將最大熵值歸零或歸於最少?這些過程/步驟是什麼?實在惹人遐思。


5-5-2015

〔作者保留版權。〕

參考
B. Parker, ‘Entropy’, This Idea Must Die, Ed. J. Brockman, Harper Perennial, 2015.

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