有没有热力学第二定律的证明?

时间:2022-01-14 08:37:46   作者:
如果热力学第二定律(SLoT)是可证明的,那它就不是定律而是定理了。在物理学中,定律一词通常用来表示基本原理,即基于经验观察而推导出的普遍接受的事实,而这些事实不能从其他事实推导出来。因此,它们被认为是用来描述更复杂现象的理论的假设。

当然,这样的假设必须基于经验证据和/或公认的基本原理:SLoT背后的基本原理是,如果不加入能量,顺序不会自发地从无序中产生,或者热量不会自发地从冷的物质传递到热的物质(这是等价的,这一次可以正式证明)。

事实上,正因为它是一个无法证明的假设,许多人试图找到违反插槽的技巧,从而发明永动机,但他们只是被欺骗了。麦克斯韦还用物理系统(著名的麦克斯韦守护进程)设计了一个思想实验,理论上是可以想象的,但它违反了第二定律,从而导致了一个矛盾:

有没有热力学第二定律的证明

总而言之:我们有两个绝热绝缘的盒子,里面装满了等量的气体,温度相同;这两个盒子只能通过一个可以打开的小洞进行交流,这样即使是一个分子也可以从一个盒子传递到另一个盒子;一个小守护程序能够以一种聪明的方式打开和关闭这个洞,让高于平均速度的分子从左到右通过,让低于平均速度的分子从右到左通过,使两个盒子里的分子总数保持不变。

矛盾的是,在这种情况下,右边盒子里的气体会比左边盒子里的气体热,从而让系统的总熵减少。

当然,对麦克斯韦悖论的现代解释表明,他的机制确实存在缺陷,因此第二定律仍然成立(事实上,可怜的守护进程的熵也必须以某种方式增加,从而导致整个系统的正平衡)。然而,这是一个例子,说明插槽实际上是来自经验而不是推理的东西。事实上,我们可以预先设想物理系统会违反它,但是,接下来,它总会出现一些我们在分析中忽略的东西。

实际上,我们甚至可以说插槽给物理学带来了很多问题,物理学家们很乐意要么从理论上解释它,要么找个漏洞让它放松一点。为了说服你们,我可以讲,比如说,狭缝和物理基本定律的时间对称性的明显不相容,低熵假设的问题,玻尔兹曼的大脑,等等。

玻尔兹曼的大脑

尽管如此,经验告诉我们熵在增长,这是事实。事实上,物理学中一个巨大的开放问题(也许是最大的)是在理论上找到槽的底部。事实上,我们非常确定,这最终是大自然的一个宏观特征,以某种方式从内在法则中浮现出来。但事实是,我们还不太了解它是如何做到的。
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