熵和障碍
本文详细解释了热力学,的法律热力学成为可能的描述一个给定的样本之后静下心来平衡所有零件在同一温度所赋予数值措施少量的属性(压强,体积,能源等等)。其中一个是熵。随着温度的身体是通过添加热,它的熵以及它的能量增加。另一方面,当一个体积的气体封闭在一个绝缘油缸由推动活塞,压缩气体的能量虽然熵不变或增加,通常会增加一点。原子而言,总能量是所有的动能和势能的总和的原子,和熵,它通常主张,是一个衡量的无序状态组成原子。的加热晶体直到它融化,然后从一个秩序井然的蒸发是一个进步,低熵状态无序,熵值的状态。校长的演绎热力学第二定律(或者,正如一些喜欢的,实际的法律声明)是,当一个孤立系统从一个状态转换到另一个,它的熵永远不会减少。如果一个盛有水的烧杯和一块钠架子上面是密封在一个热绝缘容器和钠就动摇了,这个系统,经过一段时间的伟大的风潮,消退到一个新的国家的烧杯包含热氢氧化钠解决方案。的熵产生的状态是高于初始状态,可以通过合适的证明定量测量。
认为一个系统不能自发地成为更好的命令但很容易变得更加无序,即使留给自己,吸引了国内经济的经验,赋予法律上的合理性的熵增加。就其本身而言,有很多真理在这个幼稚的观点,但它不能追求超越这一点没有障碍的一个更精确的定义。热力学熵是一个数值,可以分配给一个给定的实验;除非障碍可以平等的精确定义,两者之间的关系仍过于模糊推理作为依据。一个精确的定义是由考虑到数量,发现标签W可以采取不同的安排,由给定的原子的集合,他们的总能量被固定。在量子力学,W许多不同的吗量子州可用这种总能量的原子(严格来说,在一个非常狭窄的范围的能量)。每天是如此巨大的对象大小超出可视化;对氦原子中包含一立方厘米的气体大气压力在0°C的数量不同的量子态可以写成1 1.7万亿亿0(写出,0会填补近一万亿套的Encyclopædia大yabo亚博网站首页手机英百科全书)。
的科学的统计力学由上述路德维希玻耳兹曼和威拉德·j·吉布斯涉及大量的原子的行为,材料的热性能构成。玻耳兹曼和吉布斯马克斯·普朗克,建立了熵,年代通过热力学第二定律,推导出,是相关的W由公式年代=klnW,在那里k是波尔兹曼常数(1.3806488×10−23焦耳每开尔文)和lnW的自然对数(Naperian)吗W。通过这个和相关公式原则上是可能的,从组成原子的量子力学,计算材料的可测量的热性能。不幸的是,很少有系统的量子力学的问题屈服数学分析,但在这些气体和许多固体,足以验证理论过程连接实验室观察原子宪法。
热慢慢孤立和压缩气体时,单个量子态改变他们的性格,成为混合在一起,但总数W不改变。在这种变化绝热,熵保持不变。另一方面,如果一个容器是除以一个分区,一边是充满气体在另一边撤离,穿刺分区允许气体扩散在整个容器可用状态的数量,这样大大增加W和熵的增加。穿刺的行为需要很少的努力,甚至可能发生自发通过腐蚀。扭转过程中,等待着气体积累意外的一侧,然后停止泄漏,意味着等待时间与它的年龄宇宙会不知不觉短。的机会找到一个可以观察到的一个孤立系统的熵减少可以排除。
这并不意味着系统的一部分可能不会减少熵至少为代价巨大的增加系统的其余部分。这些过程确实是司空见惯的,但只有当系统作为一个整体并不是在热平衡。当大气中成为过饱和水凝结成一个云熵,每分子的水液滴小于之前冷凝。剩下的气氛有点温暖,更高的熵。自发的秩序尤为明显当水蒸气凝结成雪晶。国内冰箱降低其内容,同时增加的熵及其环境。最重要的是,非平衡的状态地球辐照,多热的太阳了环境植物和动物的细胞可能构建order-i.e。,lower their local entropy at the expense of their environment. The Sun provides a motive power that is类似的(虽然更复杂的详细操作)的电缆连接到冰箱里。没有证据指向任何能力的生活物质原则背道而驰的增加(整体)障碍制定在热力学第二定律。
不可逆趋势障碍提供了一种方向感时间这是缺席的空间。一个可能遍历两点之间的路径在太空没有感觉,相反的旅程由物理定律是被禁止的。时间旅行是不一样,然而方程运动在牛顿或量子力学,却没有这样的内置的不可逆性。一个电影大量的粒子的相互作用是同样可信的是否向前或向后运行。为了说明和解决这个问题悖论方便回到气体封闭在一个容器的例子除以一个穿分区。这一次,然而,只有100个原子(不涉及3×1019一立方厘米的氦),这个洞是由小到原子通过很少,不超过一次。这个模型很容易在计算机上模拟,显示了一个典型的序列中有500个原子的转移分区。一边数在50的均值和开始波动随机虽然不是很大的偏离。波动比平常更大的地方,如箭头所示,没有系统化的趋势增长峰值不同形式的衰变。这是在符合运动的可逆性详细检查。
如果有人跟着波动很长一段时间,挑出那些罕见的场合发生当一个特定的数字,远远大于50,说75年,一个会发现下一个数字更可能是74比76。情况是这样,因为如果有75个原子的一侧分区,只有25岁,这是那个房间的三倍原子将获得的75比那个25。同时,因为详细的运动是可逆的,这是三倍,75年之前是74年而不是76年。换句话说,如果一个人找到了系统状态的意思是,很有可能,系统刚刚拿到,在回落。如果系统已经暂时波动成一个低熵状态,熵将立即发现再次增加。
人们或许会认为,这个观点已经承认熵减少的可能性。确实,但只有一个系统在每分钟100个原子的规模。相同的计算进行了3×1019原子将显示一个必须等待漫无止境地(即。,enormously longer than the age of the universe) for the number on one side to fluctuate even by as little as one part per million. A physical system as big as the Earth, let alone the entire Galaxy—if set up in热力学平衡鉴于无休止的时间evolve-might最终遭受如此巨大的波动,今天的已知条件可能发生自发。在这种情况下的人会发现自己,像他那样,在一个宇宙熵增加的波动。玻耳兹曼看来,准备认真对待这个观点的理由有知觉的生物只能作为一个足够大的波动之后出现。期间发生了什么不可思议地长时间的等待期是无关紧要的。现代宇宙学表明,宇宙是有序的规模巨大的需要大于生物进化,和玻尔兹曼假设也就相应地呈现不可思议的最高学位。无论开始可能进化的宇宙状态熵的增加,这并不是一个简单的波动从平衡。时间的箭头的感觉因此被称为宇宙的创造,一种行为的审查之外的物理科学家。
这是有可能的,然而,在宇宙时间将受到影响“热寂”,到达最大熵的一个条件,之后会发生微小的波动都是。如果是这样的话,这将是可逆的,喜欢的图像,并没有给出任何提示的方向。然而,因为这未分化的宇宙汤将缺乏所需的结构意识在任何情况下,时间会消失了很久。