热力学第二定律是如何改变世界的？从常识到最深奥的哲学问题( 四 ) _兴凯湖

最终说服反对者的是，利用动力学理论来预测布朗运动。这种效应是由苏格兰植物学家罗伯特·布朗发现的。他率先使用显微镜，发现了细胞核的存在，而细胞核现在被认为是细胞遗传信息的存储库。 1827年，布朗通过显微镜观察液体中的花粉粒，他发现了由花粉喷射出来的更小的颗粒。这些微小的粒子以一种随机的方式游动着，一开始，布朗怀疑它们是否是某种微小的生命形式。然而，实验表明，来自非生命物质的粒子也有同样的效应。当时，没有人知道是什么导致了这种结果。我们现在知道，花粉喷射出来的微粒是细胞器，是细胞中具有特定功能的微小子系统。我们将它们的随机游动解释为物质是由原子构成的理论的证据。

原子之间的联系来自于布朗运动的数学模型，该模型最早出现在1880年丹麦天文学家托瓦尔德·蒂勒的统计研究中。爱因斯坦提出了布朗运动的物理解释：在流体中漂浮的粒子随机地撞击其他粒子，并给予它们微小的力。在此基础上，爱因斯坦用数学模型对布朗运动的统计量进行了定量预测，并得到让·巴蒂斯特·佩林的证实（1908 - 1909年）。

玻尔兹曼于1906年自杀，当时科学界正开始认识到他的理论是正确的。

熵以及玻尔兹曼公式，为许多研究提供了一个优秀的模型。它解释了为什么热机只能达到一个特定的效率水平。这不仅适用于维多利亚时代的蒸汽机，也适用于现代汽车引擎。发动机设计是热力学定律的实用领域之一。发电是另一个应用。在煤、天然气或核电站中，最初产生的是热量。热量产生蒸汽，进而驱动涡轮机。涡轮机遵循法拉第的原理，将动能转化为电能。
因此，热力学定律是许多我们认为理所当然的事情的基础。将熵解释为“无序”有助于我们理解这些定律，并对它们的物理基础有一种直观的感觉。然而，在某些情况下，将熵解释为无序似乎会导致悖论。这是一个更加哲学化的讨论领域，而且很吸引人。
时间之箭是物理学中最深奥的奥秘之一。时间似乎朝着一个特定的方向流动。然而，从逻辑上和数学上看，时间似乎可以倒流，很多科幻小说利用了这一点。那么为什么时间不能倒流呢？乍一看，热力学为时间箭头提供了一个简单的解释：它是熵增加的方向。热力学过程是不可逆的，如氧和氮会自动混合，但不会自动不分开。
然而，这里有一个难题，因为任何经典的力学系统，比如房间里的分子，都是时间可逆的。在数学方程中，如果在某一时刻，所有粒子的速度同时反转，那么系统就会沿着它的轨迹，在时间上从后往前走。那么，为什么我们从来没有看到一个碎掉的鸡蛋自动变得完整呢？
通常的热力学答案是，破碎的鸡蛋比完整的鸡蛋更无序，熵增加，这就是时间流动的方式。还有一个解释，熵增加和时间可逆性之间的差异来自于初始条件，而不是方程。分子运动的方程是时间可逆的，但初始条件不是。
这里最重要的区别是方程的对称性与其解的对称性之间的区别。碰撞的分子的方程具有时间反转对称性。从方程的时间可逆性中，最多能推断出，一定存在另一个解，也就是第一个解的时间可逆。如果小明把球扔给小华，时间反转解是小华把球扔给小明。同样地，由于力学方程允许一个花瓶掉到地上摔成一千块碎片，它们也必须允许一个解，即一千块玻璃碎片神秘地聚集在一起，组装成一个完整的花瓶。

但我们从来没有看到打碎的花瓶能自己复原。这也是一个关于边界条件的问题（初始条件）。花瓶摔碎实验的初始条件易于实现，实验装置易于获取。相比之下，花瓶组装实验需要极其精确地控制无数的单个分子，并没有任何干扰。
熵的数学计算掩盖了这些非常小的尺度上的细节。它使振动消失而不增加；使摩擦转化为热，但不能使热转化为摩擦。热力学第二定律和微观可逆性之间的差异来自于粗粒化假设。这些假设隐含地指定了一个时间箭头：随着时间的推移，允许大规模的扰动在可感知的水平以下消失，但不允许小规模扰动遵循时间逆转。
如果熵一直在增加，鸡是如何创造出一个有序的蛋的呢？一个常见的解释，生命系统以某种方式从他们的环境中借用了“有序” ，并通过使环境变得比原本更无序来补偿“无序” 。这个额外的顺序相当于“负熵” ，鸡可以用它来孵蛋，而不违反第二定律。