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今天我們將送出由北京時代華語出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《說出來你可能不信》。
《說出來你可能不信》SME作品，時代華語出品。42個說出來你可能的不信的趣味科學(xué)故事，不僅串起了一條科技發(fā)展簡史的主要脈絡(luò)，同時蘊(yùn)藏了課堂上老師或深入講解、或一筆帶過、或從不曾涉及的海量知識點(diǎn)，不僅有科學(xué)發(fā)現(xiàn)，還能給你一套無限逼近世界真相的科學(xué)方法！喂飽你的求知欲，讓你做人群中閃閃發(fā)光的智者。這是一本值得收藏的書，不僅有趣還十分有營養(yǎng)。
作者：Marianne Freiberger
翻譯：Nothing
審校：loulou
這個事實(shí)非常基本，以至于已經(jīng)被當(dāng)成自然界的基本定律。1850年德國科學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）成為第一個提出這個定律的人之一。“不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化，”他寫道。如果你想讓熱量從低溫物體流向高溫物體，就像冰箱那樣，需要給它額外輸入能量（這就是所謂的“其他變化”），不然是不可能發(fā)生這種情況的。
今天，克勞修斯的理論被稱為熱力學(xué)第二定律（第一定律是能量既不能被產(chǎn)生也不能被消滅）。多虧了克勞修斯，開爾文勛爵（ Lord Kelvin）和詹姆士·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell ），我們才知道熱到底是什么。熱是組成物體的分子和原子所攜帶的一種能量。是振動、轉(zhuǎn)動以及液體和氣體分子的隨機(jī)運(yùn)動與碰撞。這些運(yùn)動越是劇烈，運(yùn)動攜帶的動能越大，他們組成的物體就越熱。例如，在方塊狀的冰中，分子被限制在固定的晶格上，但是一旦你加熱冰塊，分子的抖動就變得劇烈起來，最終晶格破壞，冰也會升溫和融化。
這種對熱的本質(zhì)的新的認(rèn)知顯然是深刻和正確的。1867年，麥克斯韋在寫給朋友的一個思想實(shí)驗(yàn)中提到熱力學(xué)第二定律有可能被打破。他可以在不引起其他變化的情況下讓熱量從低溫物體流向高溫物體。這個反常的現(xiàn)象只需要信息就能引發(fā)。
麥克斯韋（1831-1879）
這個思想實(shí)驗(yàn)被稱為麥克斯韋妖并且困擾了科學(xué)家一百多年。麻省理工學(xué)院的Seth Lloyd是研究麥克斯韋妖的專家，他在解決這個問題的過程中扮演了重要角色。
麥克斯韋妖示意圖
“麥克斯韋想象在一個容器中裝滿氣體，”他解釋道。“剛開始?xì)怏w處于平衡態(tài)，各處的溫度相同。容器被一個帶有小門的隔板隔成兩半。這個小門被一個小妖掌控且小妖足夠小，足夠靈活，所以它可以探測到撞向小門的分子的運(yùn)動。當(dāng)它看到快速移動的分子從門的左側(cè)撞過來，或者慢速運(yùn)動的分子從門的右側(cè)撞過來，它就打開小門讓快速分子從左側(cè)運(yùn)動到右側(cè)去或者讓慢速分子從右側(cè)運(yùn)動到左側(cè)。如果它看到其他的情況就一直關(guān)閉小門。”
通過這些操作，小妖可以讓右側(cè)的分子平均速度增加而讓左側(cè)的分子平均速度下降。也就是說左側(cè)的氣體變熱而右側(cè)的氣體變冷：熱量從冷的部分流向了熱的部分并且不需要額外的能量來引發(fā)這個過程。例如，如果這個小門上裝了個彈簧，小妖在開門時需要少量的能量，但在關(guān)門時，這部分能量又重新還給了小妖。結(jié)果就是熱量從低溫物體流向了高溫物體且沒有引起其他變化——熱力學(xué)第二定律失效。小妖所需的僅僅是關(guān)于分子運(yùn)動的知識和信息。
雖然看起來很深奧，但是麥克斯韋妖源于一些非常具有實(shí)用價值的思考。十九世紀(jì)初，蒸汽機(jī)登上歷史舞臺，但是它的出現(xiàn)也給人帶來了困擾：蒸汽機(jī)的效率過于低下。這個事實(shí)激發(fā)了年輕的法國工程師薩迪·卡諾（Sadi Carnot）提出關(guān)于熱機(jī)效率極限的理論。他通過研究從熱源吸收能量并向冷源釋放能量的過程中可以做多少功來研究這個問題。1824年，卡諾出版了一本書，標(biāo)題是《論火的動力》，書中提到，熱機(jī)的效率的極限僅僅依賴于熱源和冷源的溫度：
這意味著只有讓冷源溫度為0才有可能實(shí)現(xiàn)100%的效率。由于卡諾提到的溫度的單位是開爾文，因此要求冷源溫度是絕對零度，一個現(xiàn)實(shí)中永遠(yuǎn)不可能達(dá)到的低溫。也就是說，無論熱機(jī)被設(shè)計(jì)的有多么完美，它的效率一定小于100%。輸入到熱機(jī)中的能量一定有一部分被浪費(fèi)掉。做功是要付出代價的。
卡諾之后大約40年，克勞修斯將注意力集中在關(guān)于引擎不能達(dá)到百分之百效率的問題上。他發(fā)現(xiàn)了描述有多少能量不能做功的公式。他寫道，這個量可以被稱為系統(tǒng)的“轉(zhuǎn)變?nèi)荻龋╰ransformation content）”。但是它更加喜歡源自希臘語的單詞，他稱之為“熵（entropy）”，這個源于希臘單詞“tropi(轉(zhuǎn)變)”，然后讓它和“energy（能量）”這個單詞長得差不多。
當(dāng)我們將公式應(yīng)用在熱量流動的過程中時，我們可以發(fā)現(xiàn)高溫物體的熵減小但是低溫物體的熵增加。然而低溫物體熵的增加量大于高溫物體熵的減少量，如果同時考慮兩個物體，總的熵是增加的。
簡單來說，如果你認(rèn)為熱量只能從高溫物體流向低溫物體而不引起其他變化，那么你可以推導(dǎo)出一個封閉系統(tǒng)的熵將永不減少。反過來，如果你認(rèn)為封閉系統(tǒng)的熵永不減少那么你可以推出熱量只能自發(fā)的從高溫物體傳遞給低溫物體。這兩種表達(dá)是等價的，這也是為什么熱力學(xué)第二定律經(jīng)常用熵來表述：封閉系統(tǒng)的熵永不減少。
卡諾提出了他關(guān)于熱機(jī)的理論，盡管他關(guān)于熱的理解完全是錯的。他認(rèn)為熱是一種液體而不是分子原子的動能。不幸的是，他沒有時間去修改自己錯誤的觀念。當(dāng)他發(fā)表他的創(chuàng)作性工作六年之后就因罹患霍亂去世，享年36歲。
然而，正是利用分子來理解熵最終馴服了麥克斯韋的小妖。麥克斯韋、路德維?！げ柶澛↙udwig Boltzmann）和其他科學(xué)家意識到熵可以被看做是衡量系統(tǒng)無序程度的量。為了弄清楚這句話是什么意思，你可以想象一個房間中放一支點(diǎn)燃的蠟燭。蠟燭的熱可以轉(zhuǎn)化為功。例如，你可以用上升的熱空氣去驅(qū)動一個德國圣誕玩具，它的頂部有扇葉。現(xiàn)在想象房間里的蠟燭已經(jīng)完全燃燒過了，整個房間里的溫度處處相等。你無法從現(xiàn)在的房間中獲取任何功，所以可以用熵來衡量不能做功的能量，可以看出蠟燭燃燒后房間的熵要高于蠟燭正在燃燒時房間的熵。
頂部帶扇葉的圣誕玩具
在分子的層面，蠟燭燃燒后室內(nèi)的有序程度大大降低。空氣處處具有相同的溫度說明快速的分子和慢速的分子完全均勻的混合起來：如果有些地方?jīng)]有混合均勻，房間內(nèi)就會出現(xiàn)溫度梯度。事實(shí)上，室內(nèi)的熱平衡狀態(tài)也是最無序的狀態(tài)。相比之下，當(dāng)蠟燭還在燃燒時，快速分子傾向于集中在火焰附近，這是一種更加有序的狀態(tài)。
你如何才能嚴(yán)格的衡量系統(tǒng)的有序或無序程度？我們可以用一副撲克牌做一個很好的類比。當(dāng)你剛從超市買回一副撲克牌，它們是按照花色和數(shù)字大小的順序排列好的。這種排列只有一種方式。如果你只按照花色將撲克牌排序，那么有很多種排列方式都滿足你的要求。這是一種有序度稍低的排列方式。如果你想得到無序的排列，你可以進(jìn)行洗牌。洗牌后得到的組合是大量排序中的一種，每一種排序都是無序的。所以你可以用在不改變體系整體性質(zhì)的前提下，用體系包含排序類型的多少來衡量系統(tǒng)的無序程度。
“麥克斯韋和玻爾茲曼根據(jù)分子處于某位置具有某速度的概率給出了熵的計(jì)算公式，”Lloyd解釋道。這些概率告訴你當(dāng)氣體處于某種狀態(tài)時分子可以具有多少種微觀狀態(tài)，因此這個公式可以用來衡量無序程度。根據(jù)這樣的定義，高溫氣體比低溫氣體具有更大的熵。高溫氣體分子的平均動能更大，因此分子動能分布在更廣的范圍內(nèi)。正如前面提到的，處于平衡態(tài)的氣體具有最大的熵。
可以證明，用無序定義熵和克勞修斯最初用溫度和能量定義的熵是等價的。無序的定義在熵和信息之間建立聯(lián)系。如果一個系統(tǒng)處于高度無序狀態(tài)，那么你需要大量的信息來完整描述它：因?yàn)樗罅康奈⒂^狀態(tài)。如果系統(tǒng)有序度更高，例如，如果組成氣體的所有分子都以相同的速度朝著相同的方向運(yùn)動，那么描述它需要的信息就少得多。無序程度越高，熵越高，描述系統(tǒng)所需的信息越多。
Lloyd說：“當(dāng)20世紀(jì)開始時，熵的概念就變得清晰起來，它與描述這些分子以及它們的位置和速度所需的信息量成正比。”熵與描述原子和分子運(yùn)動所需的比特?cái)?shù)成正比。或者與他們自己有效地包含的信息量成正比。”
但是這些對熵的不同解釋對麥克斯韋妖意味著什么呢？小妖違反了我們熱力學(xué)第二定律的第一種表述，因?yàn)樗篃釓睦渥儫幔恍枰肴魏文芰俊?/span>在盒子的左邊積累的熱量可以轉(zhuǎn)化為功，所以如果你把熵解釋為系統(tǒng)無法做功的能量的多少，而小妖可以減少無法做功的能量，因此它違反了第二定律的第二種表述。因?yàn)樾⊙谔幱谄胶鈶B(tài)的氣體中安裝了某種裝置來減小它的無序程度，如果你把熵解釋為無序的度量，它也違反了第二定律。因此，小妖在這三個方面都違反了其表述，正如你所期望看到的那樣，這三個解釋是等效的。
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