熵增大原理-PeacefulMind.PPT

作者: 雜誌 – 科學世界 (六) 能量守恒定律 地球內部貯藏自誕生時留下的巨大的能量 ? 我們居住的這個地球一點也不安份, 大陸在緩慢地飄移, 不斷地有火山爆發, 常常還有大地震發生。造成大地不停變動的原動力就來自貯藏在地球內部的巨大熱能。 那麼, 地球內部的熱能又是來自哪裏? 回答這個問題, 關鍵在於要知道能量的一個非常重要的性質。那就是,“能量不會憑空產生, 也不會憑空消失”。換句話說, 地球內部的熱能必有其來源。 ? 在距今大約46億年前, 在宇宙空間飛來飛去的那些直徑為數公里的“星子”互相碰撞和融合, 最後誕生出了地球。那些後來融合為地球的星子携帶有各種形式的能量, 有動能和勢力, 也有核能。這些能量有一部份被地球截留下來, 便成為貯藏在現在地球內部的熱能的來源。 星子携帶的其餘的能量則已經逃離地球。逃離地球的這部份能量當然也沒有從宇宙消失, 它們以其他形式繼續存留在宇宙這個大“容器”之中。這就是“能量不會憑空產生, 也不會憑空消失”的“能量守恒定律。 ? 宇宙的歷史其實就是能量不斷地改變存在形式的一部變化史。 (七) 熵增大原理 宇宙違反“自然趨勢”嗎? ? 宇宙空間有炙熱的恒星, 有具有複雜結構的星系……, 存在着各種各樣不同的天體。即使在今天, 宇宙的這裏和那裏也有新的恒星和星系不斷地誕生出來。乍一看, 天體誕生這種現象似乎違反了自然界中的變化本來應該具有的那種趨勢。 我們先來看自然界中的變化本來應該具有怎樣的趨勢。舉例說, 一杯熱飲料不久就會冷却, 而一杯冷却飲料却不會自行變熱。這樣一種變化趨勢是不會逆轉的。 ? 這樣一種只朝向一個方向變化的趨勢在物理學中是用“熵增原理”來加以說明的。粗略說來, 這條定律中的“熵”表示的是一種“不偏不倚”(均勻) 傾向的概念。於是, 熵增原理的意思就是“只能朝着不偏不倚的狀能態變化”。在上面提到的飲料例子中, 温度只能是朝着不偏不倚的方向變化, 也就是說, 飲料的温度和房間裏的温度只能朝着變得均勻一致的方向變化。 再回到天體誕生的話題。按照熵增原理, 朝向偏倚狀態的變化本來是不可能發生的。然而, 在冷的宇宙中誕生出恒星這樣的結構, 物質再聚集起來形成星系這樣的結構, 這些變化全都是温度和物質變成了偏倚狀態。宇宙中真的能夠出現違反自然趨勢的事情嗎? ? 原來, 宇宙巨大無比, 天體的誕生不過是在宇宙這個大“箱子”裏這裏和那裏的局部小區域出現的一種偏倚狀態而已, 就宇宙總體而言, 熵仍然只在增加 (八) E=mc2次方 太陽的燃料為何不盡? ? 太陽的主要成份是氫和氦。氦不會發生化學反應而燃燒, 氫却可以進行燃燒甚至發生爆炸, 釋放出光和熱。不過, 太陽如果是通過其中的氫發生化學化應進行燃燒的話, 它所具有的氫的數量僅能夠維持燃燒數萬年。那麼, 太陽為什麼能夠燃燒如此長的時間, 直至今天其中的氫燃料也沒有顯現出即將耗盡的跡象呢? 這個間題最終是由20世紀最偉大的科學家阿爾伯特?愛因斯坦 (1879?1955) 所導出的一條定律解決的。1905年,26歲的愛因斯坦提出了一個關於時間和空間的全新理論, 即“狹義相對論”。這個理論開啟了現代物理學的大門, 具有劃時代的意義。 ? 同年, 愛因斯坦根據他的狹義相對論又推導出一條重要定律, 這就是那個舉世聞名的公式“E=mc2次方”(常稱為“愛因斯坦質能公式”)。這個公式揭示出一個非常重要的事實: “質量和能量可以相互轉化”。 有了這個公式, 不久, 物理學終於找到了太陽為何燃燒很長時間的原因。原來, 在太陽的中心部份正在進行着由4個氫原子核聚合為1個原子核的核聚變反應。在這種核聚變反應中,4 個氫原子核失去原來具有的一部份質量, 而這部份質量就轉化成了巨大的能量。通過計算可以証明, 太陽利用這種核聚變所產生的能量能夠維持100億年持續地發出光和熱。 公式“E=mc2次方”不僅能夠說明太陽為何有如此長的壽命, 還說明了在宇宙之初, 同太陽內部發生的過程相反, 正是由能量產生出了具有質量的物質。因此, 公式“E=mc2次方”還是探索宇宙起源的一條重要定律。 (九) 廣義相對論 太陽使周圍的時空彎曲 ? 在19世紀末, 物理學家知道了一個無論是用開普勒三定律還是用牛頓的萬有引力定律都無法完全解釋的奇怪現象, 那就是天文觀測所發現的“水星的近日點進動”。 ? 離太陽最近的行星水星, 根據開普勒的計算, 它也是沿着一條橢圓軌道公轉。可是, 在19世紀末, 天文觀測却發現水星軌道本身也在緩慢地轉動。水星在公轉軌道上到太陽最近的那一點 (近日點) 一直在移動位置, 每過100年會偏離原來位置大約0.16度。 為什麼會出現這種偏離呢? 在牛頓力學的框架內, 用金星、地球和其他行星的影響來解釋, 只應該有大約0.15度的偏離, 而那剩餘的約0.01