人類社會每前進、發展一秒鐘都會消耗大量的能量,能量是整個社會的助推器,沒有它一切都會陷入停滯。
你的一瞥一笑、你的每一個動作都是那麼的迷人,這個迷人的背後其實就是你對能量的消耗,所以說美來自於能量。
你想要在空間中發生移動,就需要走路、騎自行車、坐汽車等等不同的交通方式,它們能夠帶你前進的動力也是能量在背後的推動,所以說生活的便捷來自於能量。
不僅僅是人類,整個宇宙每時每刻都在消耗著能量,你看看太陽,每秒鐘釋放的能量相當於幾百億噸煤炭燃燒的熱量,而且在宇宙中還存在著比太陽大得多的恆星。
它們一起點亮宇宙,為寒冷的空間提供光和熱,沒有這些恆星宇宙就會是一片死寂。所以說能量是整個宇宙運轉的根本,人類社會對能量有著極強的依賴性,沒有它們等待我們的只有死亡,至少是會被餓死。
可是想要獲取能量談何容易,至少是相當的麻煩,大自然通過植物轉化太陽能為我們提供食物,並且這些有機物還在在億萬年間形成了大量的燃料,如煤炭、石油、天然氣供人類使用。
不過人類總是覺得能量總有一天會被消耗完,而且總是感覺自己受制於大自然的限制。人類想要擁用無限的能源,隨意的揮霍。這個想法自古以來就有。
最典型的代表就是人類對永動機的癡狂,從公元前1200年前後西方人就開始著手製作可以永遠運轉的機器。
在這個永動機中大家最為熟悉的就是可以永動的輪子,大部分是利用扭矩的變化來提供旋轉力,當然還有一些利用水流、電磁力製作的永動現象。
這類不需要能源輸入的永動機被稱為第一類永動機,它們失敗的直接原因並不是能量來源的問題,而是在地球上我們無法消除整個系統的摩擦力和空氣阻力。
如果把它們送上深邃的外太空,周圍沒有任何引力物體的影響,那麼物體就可以利用自己的慣性一直保持運動,這其實就是牛頓力學的內容。
但是就算實現了這類機械的永動也完全沒有意義,因為它們無法對外界持續做功,對人類社會一點意義都沒有,因為根據牛頓定律,物體在受到外力的情況下就會改變其最初的運動狀態。
1775年的時候法國科學院就宣佈了以上的思想,先不說永動機能不能造出來,就算它永動了也是自己在動,沒有任何價值。
但是這樣的說法,並沒有放棄人類對永動機的研究。直到19世紀人類才真正認識到了宇宙中能量轉化的規律,提出了這個宇宙中的鐵律,能量守恆定理。
這個定理的提出讓我們清楚的認識到了,第一類永動機不能實現的根本原因,這也是它就算排除了外界摩擦、阻力以後轉了起來,依然對人類沒有意義的原因。
目前我們在網上看到的所有沒有能量輸入的永動機,都屬於違反能量守恆定理的裝置,它們確實能運轉那麼一會,但是整個系統的能量在很短的時間內就會被摩擦力或阻力消耗掉。
那麼第一類永動機的失敗,是否讓人類徹底放棄了永動的想法?並沒有!人類依然很頑強,足以見得我們對無限能源的嚮往。
於是就誕生了第二類永動機,它不違反能量守恆定理,設想是這樣的!你看,地球上有大量的空氣,海水,雖說它們溫度(內能)都不怎麼高,但是它們量很大的,其中蘊含的能量可以說是無窮無盡。
那麼我們能夠從海水中不斷的吸取它的內能來實現機器的永動呢?這個想法看似可行,有了能量來源,但是它卻違反了熱力學第二定理。
因為熱能總是從高溫物體自發的傳遞到低溫的物體,這個過程是單向的,要想讓低溫物體的內能傳遞給高溫物體,我們必須人為干預,消耗其他能量才能實現,例如家裡的冰箱就是這樣。
以上的說法是第一種表述。而還一種說法就是,在沒有外界能量或者是人為干預的情況下,我們是無法從一個熱源不斷的吸取能量,並且將這些能量100%轉化為可用的功。
這其實是第二種表述方式。
不管是哪種對熱力學第二定律的解釋,都徹底否定了永動機的存在,因此永動機至此徹底的就被打入了偽科學的範疇。現在如果有人還說自己製造了永動機,那麼想都不要想它的原理,先給一個偽科學的標籤。
所以說熱力學定理的發現徹底讓人類在百年的幻想和癡狂中清醒了過來,沒有在對永動機還抱有希望和幻想。
那麼熱力學定理又如何影響宇宙的呢?這裡主要說的是對第二定律的另外一種表述,即為熵的概念。
熵描述的是一個孤立的物理系統的混亂程度,在沒有外界干預的情況下,也就是沒有外界能量輸入的情況下,這個系統的熵總是會向著增大的方向發展。
換句話說,物理系統會自發的從有序發展到無序,這個過程在自然狀態下不可逆。要想改變系統的熵讓其減小,必須消耗能量。
但是能量的傳遞和消耗所帶來的結果就是更大系統的熵增總是大於0。也就是說這樣的你人為降低一個系統的熵,會帶來其他系統的熵增更大。
有一個很好理解的例子,你在沙灘上用一個模具使用沙子製作出了一個沙堡。這個沙堡就是由無數顆沙子組成的有序狀態,這個過程消耗了你的能量,你的能量來自於太陽,從而降低了沙子的熵。
但是你消耗能量的過程並不能完全做到將能量轉化為有用的功,而是有很多的熱量白白的耗散掉,因此你消耗能量所帶來的熵增一定大於沙子被製作成沙堡所帶來的熵減,整個大自然的熵還是在增加。
那麼你製作的沙堡的結局呢?它會自發的倒塌,最後變為一堆無序的沙子,沒有人類照看的房屋、高樓大廈、城市也一樣,總有一天會變得破敗不堪,變成一堆塵土。
如果想要它們恢復最初的狀態,就必須消耗能量來進行維護,看似城市又被重建恢復了以往的有序狀態,但總的來我們和太陽構成的整體系統的熵依然不可逆轉的在增大。
這樣的例子還有很多,人類要吃飯獲取能量來降低自身的熵增,維持生命。帶來的結果就是整個大自然的熵增。
宇宙也一樣,不斷的消耗能量,能量從高溫傳遞到低溫物體,整個宇宙的熵也一直在增大,不可逆轉。除非有另外一個宇宙給我們這個宇宙輸入能量,來降低它的熵。
熵增的單向變化其實就解釋了時間單向流動的原因。整個宇宙會不了避免的往前、往混亂狀態發展。
所以說隨著時間的推移,宇宙這個孤立系統會不可避免的走向無序的狀態,直到有一天無序變得最大化。
整個宇宙不會再有可傳遞的能量,因為任何一個地方的溫度都變得一樣,整個宇宙處在了熱平衡狀態,沒有可用的能量。
這是的宇宙就是我們所說的熱寂。
所以說熱力學定理不僅澆滅的人類的幻想,也規定了宇宙發展的方向,以及時間流動的方向。我們對這樣的發展趨勢無能為力,因為我們無法創造能量來降低整個宇宙的熵,拯救整個宇宙。