故事-热力学定律与奇点疑难

  咱们需求有一条天然规律制止对因果性的破坏。然而,这是一条什么规律却众说纷纭。天然界的基本规律不会太多,这条咱们希望存在的规律很可能是一条咱们已知的规律。它很可能便是热力学第二规律。这条规律指出时刻有一个消逝的方向,只能从曩昔流向未来,绝不行能从未来回来曩昔。在评论黑洞的面积定理和信息疑问的时分,咱们都曾谈到这一规律。

  在学术上,热力学第二规律有几个等价的表述:①热量只能自发地从高温物体流向低温物体;不行能从低温物体流向高温物体而不引起其他变化。②不能从单一热源吸热,把热量悉数转化为功,而不产生其他影响。

  热力学榜首规律保证了一个守恒的、重要的物理量——能量的存在。它指出能量能够从一种形式转变为另一种形式(例如从机械能转换成热能、电能、光能等),但其总量坚持不变。所以这一规律又叫做“能量守恒与转换规律”。

  研讨发现,热力学第二规律保证了另一个重要的物理量——熵的存在。但熵与能量不同,熵不是守恒量,熵是“混乱度”的量度。在天然界中,熵只能添加,不能削减。正是熵的添加,表现了时刻的消逝。

  热力学规律的重要之处在于它们是普适的,适用于力学、电磁学、光学、原子物理、核物理等一切物理进程,也适用于化学、生物学等一切天然科学范畴。这是其他学科和理论都望尘莫及的。电磁理论只适用于电磁范畴,力学理论只适用于力学范畴这些理论,都是各自独立、互不束缚的,但热力学却渗透到一切这些范畴中。

  迈尔是德国的生物学家。他提出了能量的概念,并指出能量能够从一种形式转换为另一种形式,但总量守恒。他把论文投给一个物理杂志,但因为他的思想十分新颖,而他又不是物理专业身世,论文中的言语名词并非物理专业所用,因而杂志社没有人能看懂,也就无法宣布。所以他转而求助于一家生物学杂志,他的一个朋友在这家杂志社当编辑。他说服朋友刊登了他的文章。但当他又写了第2篇文章再次请朋友帮忙的时分,朋友告诉他,因为刊登他的文章,自己遭到许多生物学家的责备,他真实无法再帮忙了。后来,迈尔的弟弟因搞革命活动被捕,两个儿子夭折,自己的效果又无人理解。在悲痛与绝望的情绪下,他跳楼自杀,摔断了双腿。人们以为他有精神病,把他送进了精神病院。不过若干年后,迈尔的伟大成就终于被世人认可了。

  焦耳是英国人,他是一个啤酒厂厂主的儿子,自己后来也继承父业,成为了啤酒厂的老板。不过他的首要爱好不在啤酒生意,而在物理学上。他在对物理现象,特别是电和热的研讨中,独登时发现了热力学榜首规律。但因为他非物理专业身世,论文没能得到物理学家的支持,只好把文章刊登在小报上。走运的是物理学家开尔文看到了他的文章,觉得很有意思,并拜访了焦耳。开尔文认识到焦耳的作业十分有创新性,十分重要,所以向物理界引荐了焦耳的作业。焦耳终于被允许参加了一次物理研讨会,开尔文对焦耳的作业作了解释阐明,大家才终于接受了焦耳的重大发现。

  卡诺生活在法国大革命时期,当时能量概念没有提出,流行的热学理论是“热质说”,以为热机就像被水推动的水轮机相同,被从高温热源流向低温热源的热质所推动。卡诺用过错的热质说证明了他的闻名定理——卡诺定理。这必定理,其实也是热力学第二规律的一种表述。但卡诺十分不幸,在他36岁那一年,患了猩红热、脑膜炎、霍乱,不治身亡。他死后,因为怕感染,家中把他的一切遗物,包含笔记、论文手稿悉数焚毁。走运的是,他的一个笔记本被遗忘在阁楼上,而于40年后被他的弟弟发现。从这本笔记中能够看到,卡诺当时已对热质说产生了置疑,他现已认识到热可能是能量。

  1850年,克劳修斯提出了第二规律的标准说法,即“热量只能自发地从高温物体流向低温物体,而不能自发地从低温物体流向高温物体”。实际上,开尔文也简直与此同时发现了第二规律,他的表述形式是“不能从单一热源吸热做功,而不对外界产生影响”。开尔文的表述宣布在1851年。开尔文对热学的贡献许多,包含提出绝对温标,预见到可能有热力学第三规律的存在。开尔文是一位品德高尚、才华横溢的谦善学者,从不与人争夺功利,并乐于提拔协助别人,他引荐过焦耳,后来还引荐过皮埃尔·居里。

  热力学第三规律说“不行能用任何操作使体系的温度降到绝对零度”。实际上便是说“绝对零度不行能到达”。提出这条规律的只要1个人,那便是德国的能斯特。

  有趣的是,能斯特最初是从热力学第二规律推出上述定论的。在能斯特作报告时,年青的爱因斯坦指出,他的定论是正确的,但推导有问题。爱因斯坦以为,能斯特的定论是一条独立的热力学基本规律,不行能从第二规律推出。能斯特起先还不服气,后来终于弄清楚了自己的发现的重大意义。

  之前咱们曾谈到过的奇点定理断言,在广义相对论建立的任何一个物理时空中,只要因果性在其中建立,而且有一点物质存在,那么在其中就必定存在时刻有开端或完毕的进程。笔者花了许多时刻考虑这个问题,并很快注意到黑洞理论中的一个状况:但凡奇点存在的场合,都会伴随温度发散或到达绝对零度的状况呈现。实际的物理体系,温度不行能到达无穷大,绝对零度又是热力学第三规律所制止的。所以笔者提出一个斗胆的猜想:热力学第三规律会制止奇点存在,也便是说,第三规律会制止时刻有开端和完毕。

  有人开玩笑说,热力学榜首规律的发现者有3个人,第二规律的发现者有2个人,第三规律的发现者只要1个人。按此规律,不该该有热力学第四规律存在,因为第四规律的发现者人数应该是0。不过,热力学虽然没有第四规律,却有一个第零规律。该规律说“热平衡是能够传递的”,也便是说,“假如体系A与B到达热平衡,B与C也到达热平衡,那么A与C就必定到达了热平衡”。

  人们逐渐认识到“热平衡具有传递性”应该是一条基本规律,但这是在榜首规律和第二规律确立之后。因为没有这条新规律,就不能界说热学中最重要的概念——温度,所以这条规律不只重要,而且从逻辑上看应该排在榜首规律和第二规律之前,因而,人们只好称它为热力学第零规律。

  爱因斯坦在他开创相对论的第1篇论文中从前评论过,在同一参考系中坐落不同地点的钟如何校准的问题。他提出一条正义:A点的钟假如与B点的钟校准,B点的钟再与C点的钟校准,那么A、C两点的钟就天然校准了。也便是说,他假定“同时”这个概念具有传递性。后来,前苏联物理学家朗道指出,这条看似当然建立的“正义”,其实不必定在任何参考系中都建立。他指出:只要在时轴正交系,也便是说时刻轴和三条空间轴都笔直的参考系中才建立。在非时轴正交系中,“同时”不具有传递性。例如转动的圆盘,时刻轴就与空间轴不都笔直,因而“同时”不具有传递性。在转盘上不能界说统一的时刻。

  从上述评论能够看出,广义相对论中的信息疑问、虫洞疑问和奇点疑问,都把咱们对时空的研讨引向了热力学。看来,“热”与“时刻”之间很可能存在咱们尚不清楚的深刻的实质联系。物理学研讨早就指出,能量守恒,也便是热力学榜首规律能够保证时刻消逝的均匀性;热力学第二规律指出了时刻的方向性和消逝性。咱们这里谈到的探究又表明,热力学第三规律好像能够保证时刻没有开端和完毕;第零规律则能够保证空间各点存在消逝速率相同的时刻。

  本文节选自上海教育出版社出版的《爱因斯坦与相对论——写在广义相对论创建100周年之际》,有修改。返回搜狐,查看更多

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