熱力學第二定律 熱力學第零定律揭示了
高中物理里,有一個著名的熱力學第二定律,可惜屬于選修,認真學過的人并不多。但一個詭異的事情是,畢業工作之后,你會在好多領域(像是經濟學、系統學、信息學...)看到它的身影,甚至很多人從哲學的角度,對它無比膜拜。
寫這篇文章,純粹不是為了流量(這種文章不可能有流量的),而只是為了一些人。
如果是學生,認真讀這篇文章,你會感到物理書里的東西,不但會幫助我們理解客觀世界,更會給生活、乃至人生帶來巨大的指導意義。
如果是成人,希望大家能理解宇宙、生命和人生的一條基本規律。這樣,大家一起生活的,會感受到更多的感恩和愛,變得更加幸福。
以下為正文。分三個層次進行介紹:
1 物理學里的意義;
2 對生活的啟發;
3 對人生的指導意義;
1 物理學里的意義
按照高中物理書上的說法。熱力學第二定律,有三種表述形式,分別為:
克勞休斯表述法:熱量不能自發地從低溫物體傳到到高溫物體;
開爾文表述法:不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產生其他的影響;
微觀表述法:一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行。
后來,人們為“分子熱運動的無序性”定義了一個參數,稱之為“熵”,因此微觀表述法也被稱為“熵增定律”(這個詞在很多領域都會提到)。
當年高中的時候,老師反復強調,這三種表述方法是等價的。但我一直都搞不明白,這三句話明明說的是三件事情,為什么書上卻說是同一件事情?
理解這個點,需要很多年的觀察和感悟。如果一個高中生真的能理解它的意義,毫無疑問會對物理學的哲學意義,產生濃厚的興趣。
這篇文章只會粗略帶過物理學意義,因此只舉一個例子來說明:空調。
憑借生活經驗,我們能感受到克勞休斯表述法(熱量不能自發地從低溫物體傳到到高溫物體)。確實,熱水放在屋里只會慢慢變涼,而不可能慢慢變熱。
一般人,可能也就理解到這了,但物理學家總會多想一步,因此有了開爾文表述法(不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產生其他的影響)。它之所以這么說,就已經不滿足于僅僅總結現象了,而是提升了思考的維度:
如何能讓熱量從低溫物體,傳到高溫物體?
經過反復的試驗,開爾文發現,這并非是不能實現的,只是你要付出“代價”,開爾文稱之為“其他影響”。
你可能覺得,讓熱量從冷物體傳到熱物體,也就是冷的更冷,熱的更熱,這真的可能么?其實我們每天都在用,即空調。
炎炎夏日,外面很熱,屋里可能會稍涼爽一點。按照熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的規律,熱浪只會不斷從室外涌入室內,毫無辦法。但空調的發明,實現了相反的過程:把熱量從屋里抽走,排到外面去。因此,屋里會越來越涼快,而外面會越來越熱。
這是相當違反自然定律的事情,相當于桌上有一杯水,突然一半變得越來越熱,另一半越來越冷。根據熱力學第二定律,為了實現它,我們要付出一定的代價:即花費額外的電能。
我們花費了很多電能,用來搬移熱量,卻不能消滅熱量。相反,用電本身還會產生更多的熱能。因此,從整體來講,大量空調的使用,會讓整個城市的整體問題升高,我們可以把它看成是,人類獲得室內涼爽的“代價”。
至于第三種微觀表述法(一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行),對此的研究就更進一步了。它不是只描述現象(克勞休斯表述法),也不是想著怎么去技術改進(開爾文表述法),而是真正嘗試去解釋,這種客觀規律的根本原因,因此,它的適用性一下子擴展到了相當多的領域。
2 對生活的啟發
微觀表述法(一切自發過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行)實際上描述了世界運行的底層規律:
所有事物都會向著一個確定的方向發展,而不幸的是,這個方向是秩序的反面:無序。
類似的例子太多了。墨水滴到水里會漸漸散開,再也沒法重新聚集;花瓶很容易摔碎,而且一旦摔碎了,就很難復原;如果沒人打掃,城市會越來越亂,以至于無法居住;甚至物理學預測的宇宙,也會慢慢化為一團飛灰,
不再有任何生機。
熱量會從熱的物體傳導到冷的物體,也只不過是這規律的一個側面而已。
知道了這個,對我們的生活有什么意義呢?
是有的,你可能會多一個角度來評價生活的意義。
從工業革命的大生產時期,人類漸漸形成了一種價值觀。我們總感覺物質、能量,這些東西是最重要的。因此,我們拼命擴張領土、聚集財富、把公司越做越大、認為擁有的房產、錢財、權利越多就越成功。
我們天天口中所說的,小到個人的財富危機、大到全球的能源危機,都是從總量上去評價,這是一種能量思維。
但漸漸人們發現,只要技術足夠,能量根本不是問題。我們總是擔心石油用完了會怎么辦,可只要有技術,能源其實是取之不盡的。不管是太陽能還是核能,或者到太空里去尋找新的礦石能源,宇宙里的物質和能源,幾乎等同于無限。
甚至我們一直抱有的思想:我們會“用掉”能源,也是很傻的想法。能量是守恒的,我們根本沒法把它“用掉”,只不過是把它從一種形式,變成了另一種形式而已。
漸漸人們發現了,我們缺少的并不是“能量本身”,而是“能量的秩序”。
什么叫能量的秩序呢?特別簡單,我把一勺酒精點燃了,變成了水和二氧化碳,放出了熱量。這里,無論是物質還是能量,都是守恒的,真正變的,只是能量的秩序:從化學能變成了熱能。
再舉一個例子,我把一個小球從高處拋下,落到地上。看似損失了重力勢能,但其實并沒有損失,它只是轉變成了熱能、形變能、聲能等。
我們所謂的發電,也并不是真的“制造能量”,而是把一種能量,轉變成電能而已。而能量有一種特性,很容易從秩序高的能量,轉化為秩序低的能量,但無法反過來。
所以我們只聽說過太陽能、核能、火力、水力發電,因為這些能量秩序都很高,容易變成秩序稍低的電能;但很少聽說聲能發電,因為聲音這種能量的秩序太低了,以至于幾乎不可能再重新收集起來,轉化為高級能量。
因此,我們確實是在“用掉能量”,只不過是在不斷把能量從“高秩序”用成“低秩序”而已,而不是把他們的總量用掉了。
你可能會問,為什么會有那么多高秩序能量可以用呢?這就要感謝太陽了。太陽提供的光子流,是一種秩序極高的純能量,生物通過葉綠素把這種高級能,轉化為地球能量最常見的形式:化學能。所有的生命能夠生存,理論上都來自于近乎無限的高秩序能量輸入。
因此,太陽的價值,并非只是提供能量,而是提供了“高秩序”的能量。試想,如果有個巨大的能量源,一只開著大喇叭朝地球發聲(暫不考慮傳輸問題),理論上也是可以不斷傳輸能量的,但根本無法讓生命誕生。只因為聲音雖然也算能量,但基本算是能量里用剩下的“污水”,很難再被生命二次利用了。
解釋了這么多,都是在于闡述“能量思維”的局限性,真正的智者,需要漸漸認真考慮“能量秩序”的問題了。這對生活的啟發極大。
以學習為例,大部分孩子目前仍處在不斷吸收知識總量的階段。他們以及他們的家長都以為,花的時間越多、背的知識越多、做的題目越多,掌握的東西也就越多。
這種學習法,很類似于不管什么東西,都往家里拾。看似擁有的財物總量大,卻是一團亂麻,毫無秩序,以至于家里沒有任何舒適感。
很多孩子的腦子,都是這種狀態。他們根本沒有任何總結和梳理能力,不知道知識點之間的結構聯系,按照我們物理學的標準來說,擁有的都是“毫無秩序”的知識。這種知識結構,看似總量很多,但秩序太低,以至于沒有什么再利用價值,也不可能催生出真正有思想的大腦。
只需要多考慮一下擁有之物的秩序,會對生活里的各種事情,產生不一樣的評價標準。
禪修之人講究“少即是多”,在意的就是擁有之物的秩序,而非數量。
日本“斷舍離”式的整理之法,也是通過清理過多的數量,讓家里充滿整潔和秩序之美,以提升整個人的幸福感。
冥想,也類似于一種頭腦清理術,你會發現,思考的問題少了,才能更好地思考問題,達到更高的境界。
3 對人生的指導意義
最后我想說的,是熱力學第二定律對人生觀的影響。真的理解它,有助于你變成一個充滿感恩的人。
佛學里有三毒的概念,即貪、嗔、癡。前兩者貪欲和嗔怒,在我看來都來自于對生活的不滿。現實世界里,你能看到大把的人,充滿了抱怨和憤恨。開車的時候,前面有人轉彎擋了他一下,他會罵對方沒腦子;工作的時候,領導安排工作沒太考慮周全,會吐槽一晚上;外出吃飯發現一個服務沒到位,恨不得抓住機會狠狠訓服務員一頓;當然,和家人交流的時候會有更多的細節摩擦,會感覺為什么總是跟我過不去?記得有個電視節目,模擬了一個場景。節目組在飯店里事先安排好,趁顧客不注意的時候,打翻他們桌上的紅酒,然后快速離開,只留服務員在桌邊打掃衛生。
幾乎所有的顧客,回過頭看到紅酒被打翻,都會直接指責服務員,說是他打翻的,而根本不顧“自己根本沒有親眼看到”的事實。只因為一個原因,紅酒翻了,服務員離得最近,因此他要負責。這種思維,扎根于一種巨嬰式的人生觀里:一切不順利,都是因為別人的過錯,需要有個壞人來負責!而真正理解熱力學第二定律的人,就不會這么來理解問題。因為我們明白,世界本來就會朝著無序的狀態發展。
馬路自然會臟的、雜草也會叢生,這是規律;屋里會越來越亂,這也是規律;飯菜不會自己跑到桌子上,這是規律;人會生老病死,這更是規律。一切并非是某個人的責任。但為什么,我們發現馬路并沒有越來越臟呢?屋里也一直很整潔?總會有可口的飯菜?而人的壽命,也會越來越長?
懂得熱力學第二定律的人,不難問出這個問題。而一旦問出這個問題,就離發現這個世界最美好的秘密不遠了。
那是因為,有無數的人在花費著巨大的努力,努力維持著一切的秩序。他們以一己之力,抗衡著物理學規律,也因此,他們在默默支付著我們之前提到的“代價”。
早晨4、5點鐘,清潔工就在努力工作了;爸媽每天在花費時間,整理著屋子,為你做可口的飯菜;無數醫生加班加點努力工作,為我們提供最好的醫療服務。
只不過,沒人能真正把一件事做到100分。這時候,看問題的視角就顯得特別重要,足以決定他和世界的關系。
巨嬰們,總是以為世界應該處處令他們滿意,稍有不足,就是某個壞蛋在跟自己做對,因此他們仇恨著別人。而成熟的人們,知道世界本就是不完美的,而且會一直朝著無序的方向發展。當他們享受到任何哪怕不太完美的服務時,也會報以感恩的心,因為他們明白,能在無序的宇宙中創造出這么一點秩序,也一定是某些人、支付了相當的代價才換來的。就我自己來說,自從想明白這一點,去到相同的麥當勞里,看到的事情就全然不同了。
以前的我,會各種挑剔,感覺他們都沒有用心去做,如果我來開店一定會做得更好。
然而,真的自己開店了之后,才發現哪怕每天擦一遍門,也并不簡單,才發現原來麥當勞里做到的種種,真的是一個團體精心付出了巨大努力才能維持的。再到那里,我為能在炎炎夏日里、能在暴雨暴雪中、能在深夜晚歸時,找到這么一個舒適的環境,能吃到標準化味道的食品,而深深地感恩。4 小結
感恩并非是一種可以被塑造的行為,也不是通過控制情緒所能達到的狀態。它的本質,是對客觀規律的深刻理解。
就像之前提到的佛學三毒“貪嗔癡”,貪嗔表現出的不滿,只是一種表象,其根源仍然在于最后一點“癡”,即缺少智慧。不理解一切的原因,是終究無法通過控制情緒來實現感恩的。
而治療三毒的方法,佛學里也提供了層次鮮明的三種路徑:“戒定慧”。
戒,指通過外在的行為戒律,來約束內心,為初級;定,通過禪修打坐等意念的修行,來化解情緒,為中級;慧,通過洞悉根本規律,獲得大智慧,完成最終的涅槃。
從這個角度來講,學習數學和物理,顯然是理解萬物根本規律的好方法,是獲得大智慧的基本功。
可惜的是,我們現在的數學物理課程,多還是糾結于套路和解題,即便是如此有韻味的熱力學第二定律,多數老師根本講不明白,只是讓學生背下來,這不能不說是暴殄天物。
曾經,試探性地跟一些初高中的孩子,聊過這些問題。能量守恒啊、空間和維度啊、相對論和時空穿梭啊、還有熱力學問題,看似是物理,實則關系到每天的生活、成功的秘訣、生命的原理、人生的意義、宇宙的歸宿。
從他們的反映來看,至少會對物理學的深刻,有了一些基本的認知;天資比較好的,會有一種神游天際的感覺,眼睛里閃著光。這種感覺,是刷50套試卷,也無法帶來的,是對某個學科、某種領域的贊嘆和向往。
而這,正是當今學生們最缺少的東西。文章轉自頑皮小海 引光小站