網誌：朦查查
電影＜天能＞(Tenet)說及時間逆行，回到過去，即是逆熵。
熵的概念是德國物理學家克勞修斯(Rudolf Clausius, 1822-88) 於1865年提出。與其他守恒定律(如質量、能量) 不同，熵是隨時間而增加的。
熵的概念始於1860年代，概念比較抽象。它之前，有質量、能量這些概念。本文談質量和能量概念發展的歷史，以及質量守恒(即物質不滅) 和能量守恒兩個定律，如何成立。
首先，質量(mass)守恒。古希臘時代，即二千多年前，已有哲學家提及，物質是由持久不變、不可分割的原子組成。然而，說到要求觀測量度的現代科學，要到十八世紀，才由俄國的羅蒙諾索夫(Mikhail Lomonosov, 1711-65)，和「現代化學之父」法國的拉瓦錫(Antoine Lavoisier, 1743-94)，分別以實驗證明, 一些物質因燃燒而重量增加，是因為多了氧(氧化過程) 。將氧的重量算進，結果是質量始終沒變。到1803年英國科學家道爾頓(John Dalton,
1766-1844) 總其成，提出原子理論時，質量守恒定律已廣被接受。
跟著便是能量(energy)守恒。與質量不同，能量難以捉摸。能量的概念，與移動(motion)有關，始自牛頓(Isaac Newton, 1643-1727) 1687年的＜自然哲學的數學原理＞(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
)。牛頓明白能量須守恒，但並不重視。要靠同輩法國的萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646-1716) 再三強調概念的重要。到1847年，德國科學家亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821-94) 發現，若撇除磨擦力，動能(kinetic
energy) 加上勢能(potential energy) 總量不變。期間，英國的湯普森(Benjamin Thompson, 1753-1814) 於1798年報告，動能可轉化成熱能(heat energy)。1843年，英國的焦耳(James
Prescott Joule, 1818-89) 又能夠精確量度電能(electrical energy) 轉成熱能的過程。至1840年代末，英國的焦耳，與亥姆霍茲及另一德國科學家，卒之訂立能量守恒定律 --- 即如果將所有不同形式的能量計算在內，其總能量始終保持不變。
由質量守恒定律成立，到能量守恒定律成立，相隔了不少年月。可見，由能量概念開始，到能量如何量度，如何將不同形式的能量相互轉化並總其成，最後得出定律，過程輾轉，並不是一條直路。
當然，故事並不到此為止。又半世紀，1905年出現戲劇性大變 ---愛因斯坦(Albert Einstein, ) 發表了兩篇論文。第一篇關乎狹義相對論(special
relativity) 的基礎； 第二篇則短短三頁紙，導出如今世界知名的 E = mc2 (squared)，其中E代表能量，m是質量，c2 是光速二次方。由於光速是常數，此方程式實際上指出能量和質量其實是對等的，即能量和質量可互換。(我們會聯想到，核子彈內的鈾，分裂過程中只有0.1%質量轉為能量，但破壞力驚人。往好一點想，核能於許多地方包括香港有其生活上的重要性；而用之不竭的太陽能是由核聚變產生的，中間也牽涉質量轉為能量。)
於是質量守恒與能量守恒不再是兩條定律，而是已合而為一的質量／能量守恒定律。我們簡稱之為「能量守恒」。
回顧一下，由質量守恒成立(約十八世紀中) ，到能量守恒成立(十九世紀中)，需時一個世紀。主要原因，是能量比較質量難捉摸。而由能量守恒到愛因斯坦的狹義相對論(二十世紀初)，需時半個世紀。
我們學習物理，可能是同一課，課本上寥寥一兩頁，便已帶過。未必知道事情背後，其實內裡包含多少挫敗，也不知道花了多少人的時間和心血。
愛因斯坦其後發表廣義相對論(1915年) ，該理論通過了不少的觀測和實驗。在這基礎上，科學家們利用熱力學、太空觀測數據、高能物理學等知識，推論出宇宙的壽命約138億年。而在觀測數據支持下，亦知道宇宙由混沌漸變為清晰通透，是盤古開天後約三十萬年的事。更奇妙的是，科學家已經能夠推論所謂「大爆炸」後一秒內，原來可以發生不少事情！
30-9-2020
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30-9-2020
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