当看到这个标题时,可能很多小伙伴以为要讲相对论了,但你要知道,这个问题还可以从另一个角度来解释。
先来看一个动画。
你能发现这个动画有什么特别之处吗?
显然,这个动画的过程是违反生活经验的,烟雾总是不断扩散开来,而不可能自动聚集,所以上面的动画肯定是倒放的。
下面这个过程才是真实的,烟雾颗粒不断向四周扩散,符合观察经验。
以上是我们所有人在日常观察中形成的观念。我们都相信:扩散是自发的,而重新聚集是不可能的。
那么,从物理学的角度,如何解释这个问题呢?
物理学认为,如果存在一种办法,能消除一切由原过程造成的影响,使系统完全复原,那么该过程可逆;若无论如何都无法使系统复原,并使原过程造成的对外影响完全消除,那么该过程不可逆。
而实践表明,烟雾颗粒一旦扩散,不可能重新反向聚集而复原。
所以,扩散过程不可逆!
然而,为什么扩散不可逆呢?
扩散现象是由包含大量微观粒子的宏观体系所经历的。在物理学中,这种体系属于热力学系统。根据分子运动能,热力学系统内部大量分子在永不停息的做无规则热运动。
既然是无规则运动,顾名思义,你没办法去规定每一个分子的运动情况,也就无法让每个分子都回到初始状态,所以你也无法让系统复原。
即使你是上帝本人也不行,你没那么多手、眼睛和脑子去命令那么多分子各个都按照你的指令来行动!换句话说,只要是大量粒子——比如阿佛加德罗常数个粒子,你就只能任凭它们混乱运动了。
推而广之,不仅扩散过程,凡是包含有大量个体的体系所经历的任何过程,一旦发生,没有任何过程能使之复原。换句话说,一切宏观体系经历的实际过程都是不可逆的!
简言之,一切宏观过程不可逆!
温馨提示:“宏观体系经历的实际过程”经常被简称为“宏观过程”。
宏观体系的这种一去不复返的特点,给人以时间流逝的体念。因此不可逆性表明时间是单向流动的,就像射出去的箭,有去无回。
李白的《将进酒》的头两句:“君不见,*河之水天上来,奔流到海不复回。君不见,高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪”,深刻的道出了这种时间之箭的不可逆性。
那么,这背后起作用的是什么物理规律呢?答案是:热力学第二定律。
热力学第二定律有两个版本,其中克劳修斯提出的版本说:热不可能自动的从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。
你可能会问:这里说的只是传热过程的不可逆性啊,又怎能说明一切宏观过程都不可逆呢?
的确,热力学第二定律的表述有点奇葩,它的两个版本都是针对具体的现象来阐述的。这在物理规律中是很少见的。
这看起来好像挺不合理的,有点像张天翼的通话故事《大林和小林》中的法律条文那样,它的第三万八千八百六十四条规定:皮皮如果在地上拾得小林,小林即为皮皮所有。
然而,对热力学第二定律来说。虽然它的表述看起来缺乏一般性,但却是合理的。因为,所有的宏观过程的不可逆性是相互等价的!
换句话说,只要你承认一种宏观过程不可逆,那么所有其他的宏观过程也都不可逆。例如,从“热传导的不可逆”可以推出“功变热的不可逆性”,反之亦然。
所以,说某个宏观过程不可逆,等于就说所有宏观过程不可逆。正因为这样,克劳修斯表述也好,开尔文表述也好,甚至千千万万个其它表述也好,实际上都表明了一个基本事实:一切宏观过程不可逆。这正是热力学第二定律所要说的事。
当然,如果你又问:热力学第二定律是怎么来的呢?
答案是:它是一条物理学的基本假设,是从物理实验和经验中总结出来的,并接受了充分的检验,所以是正确的。
如果从微观的角度去探究热力学第二定律,你会发现,它可以通过另一个物理概念来解释,它就是熵!但这样,你会面对另一个假设——等概率假设。
等概率假设告诉我们,对任何宏观体系,它所包含的微观态都以相同的概率出现。因此,对宏观体系的某个状态(即宏观态)来说,它所拥有微观态数越多,它出现的机会就越大。
所谓微观态,指系统内全体成员的一种具体的分布。
打个比方,30个人正围在一个正方形湖的边上看风景,这是一种宏观态。而30个人分别在什么位置,对应一种微观态。例如某时刻,东边3个,西边8个,南边10个,北边9个;而另一个时刻,东边10个,西边2个,南边8个,北边10个。这些不同时刻的分布就是一个个微观态。
玻尔兹曼认为,所有的微观态都是平权的,一个宏观态总是以相同的概率遍历它所拥有的所有微观态。因此,拥有的微观态数量越多的宏观态,出现的概率越大。
这使得,任意宏观体系在变化时,它总是朝着微观态数更多的方向演化。
基于这个微观态数,玻尔兹曼定义的熵为根据此定义,熵与微观态数正相关,因此,熵越大的宏观态出现的机会越大。换句话说,变化中的系统,总是朝着熵增大的那个方向演化,这就是熵增加原理。
因此,热力学第二定律对宏观过程的不可逆性的约束,也可以理解为是熵增加原理的作用。换句话说,热力学第二定律本质上就是熵增加原理。
好了,现在知道了,宏观现象不可逆,这是受一条物理定律支配的结果。
那么,可逆过程呢?是不是不存在可逆过程呢?倘若真如此,那这个词语不是多余的吗?
答案是:一般来说,对宏观体系,可逆过程只在理论上存在,那就是无耗散的准静态过程。说的直白一点就是:没有摩擦力的、进行的无限缓慢的过程。不过,这个话题扯得有点远,本文暂且按下不表。
但若你