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第一〇五章 分布

永不下车 阳电 2038 2018.12.13 17:55

  热寂,定义并不甚明了,用来形容宇宙的最终命运,在物理界却尽人皆知。

  宇宙的终局,或者,人类认识范围内的任何一种客观存在,如果当做孤立系统,最终的结局必然是熵达到极大值,在那之后,倘若时间的概念仍然存在(这一点并非天经地义),系统本身也不会有任何变化,成为真正意义上的一潭死水。

  热力学三定律,一百多年前的科学原理,给出的就是这样的一种景象。

  在理查德*费曼面前,方然没有解释这些基本原则的必要,他只是言简意赅的道出疑问。

  “宇宙的末日”,这,是任何一个学习过现代物理,特别是热力学的学生,多多少少都会思考过的问题。

  区别只在于,寻常人的这种思考,很快就会被生命的逝去、和时间的流逝冲刷殆尽。

  一旦意识到人的一生何其短暂,遥远到不可思议的宇宙之末日,再怎样努力,也无助于解决眼前的问题,这种思考就会知趣的无疾而终,甚或用“人类连十年、二十年后的世界都无法预测,又怎能奢望洞悉宇宙的奥秘”来自我安慰。

  但是方然呢,即便只是一个永不下车的憧憬者,无限长的生命还是未知数,思维的角度,也已经和常人大不相同。

  热力学定律,自身而言,是基于统计的直白叙述。

  想象一个充斥空气的密闭空间,在没有外界的物质、能量影响时,其中的空气分子,会大致均匀的分布在整个空间里,而几乎绝对不可能自发的集中在空间一侧、让另一侧出现真空;事实上,即便通过外力,让这种情形出现,一旦撤去外来的干涉条件,气体分子会迅速向真空一侧扩散,经过或长或短的时间,最终,空间内又会变成分子大致均匀分布的平衡态,或者,终末态。

  考察处于平衡态的空间,微观上,任何一小块空间内的分子数量,总会有微弱的涨落起伏,但是从宏观上,分子的分布则非常均匀。

  为什么会这样呢,浅显的表象,背后蕴含的机理却极端深刻,方然并无法看透。

  只能说从形而上学的角度,统计规律,可以用来解释这样一种现象:考虑空气分子在空间中的分布,可能的方案有如恒河沙数,但其中绝大多数方案都是分子近似均匀分布、平平无奇的那种,所有分子聚集在一半空间、另一半出现真空的方案,则只有其中的极少数。

  譬如说,在上面的案例中,如果空间内有10,000个空气分子,将空间等分成A、B两部分,则所有空气分子在其中任意分布,可能的情形会有2^10000之多。

  2^10000,毫无疑问,这一数字是难以想象的巨大。

  然而所有空气分子都跑到一边、另一边出现真空的情形,又有多少种呢?

  要么所有分子都在A,要么所有都在B,数一数,这样的极端情形为何几乎不可能出现,原因也就不言自明:

  这种情形,只有区区2种方案,可以做得到。

  10000个空气分子的任意分布,自发出现一半空气、一半真空的概率是1/2^9999,这个数字究竟有多小呢,数学家可能会感兴趣,但是对物理学家而言,实践意义上,如此微末的数字根本就等于零。

  而且这还是区区10000个空气分子的情形;

  实践中,哪怕一立方厘米的地表空间,在零摄氏度、标准气压时,都会充斥着2.7*10^19个空气分子。

  规模越大,偏离平均分布的情形,越会罕见到根本不可能出现。

  虽然是用分子位置举例,换成其他的物理量,譬如速度、能量,也是一样道理。

  建立在统计学上的热力学三定律,道理,非常简洁,虽然背后的机理深不可测,站在不求甚解、只看结果的角度,其正确性却是不言自明。

  但,一旦将这些定律应用到宏观层面,甚至宇宙这样的尺度,又会怎么样呢。

  绝对正确的热力学三定律,与民众的误解不一样,原则上,并不排除系统状态的极端化,也就是进入一些相对不太罕见、不太容易自发形成的状态,这种现象,在客观世界司空见惯,用学术语言来讲,是系统可以借助外来的能量、或者说低熵源,来影响自身粒子的分布和行为,即,降低自身的熵值。

  正因为这样的规则,在盖亚,才衍生出从自然现象到生命奇迹的一系列眼花缭乱。

  可是再怎样纷繁芜杂的世界,物理上的过程,熵的增加,或曰,系统分布从罕见状态到常见状态的滑落,却是绝对无法违抗的宿命。

  盖亚,年龄逾四十六亿的古老存在,分布在其表面的生命形态,万变不离其宗,都需要外界提供的低熵源来维持自身的生命活动,低熵的来源,本质上都是一点四亿公里外的恒星,所发出的光芒。

  生命依赖恒星的光和热,才能生存,科普读物往往从能量转移的角度描述这一过程。

  这样讲,当然是正确的,不过从热力学的角度,发生在恒星到生命体、再到环境的熵转移,才是更本质的陈述。

  生命的迹象,一切都依赖于熵的转移,这是方然关注的核心问题。

  因为这也就意味着,倘若要永生,要拥有无限长的生命,仅仅假设宇宙本身万世长存,直到永恒,只是一个必要条件。

  根本上讲,要切实的永生不死,还要有一个永远存在的低熵源。

  但是这可能吗……

  “你可能还不清楚,热寂,概念上本身就不太严谨;

  而且在学术界,这也是一个比较陈旧的概念,现在的物理研究者,大多都不认可。”

  方然的疑问,在费曼教授眼里,似乎根本就不是什么烦恼,

  “看来,你还是有基本的热力学定律,和统计物理的一些背景知识,那么对宇宙的演化,你了解多少?”

  “这方面所知有限,我的认识,还停留在‘宇宙大爆炸’的阶段。”

  实话实说,方然可不想在教授面前卖弄学问,毕竟他是来请教问题,而不是在面试。

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