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機遇進化與麥克斯韋妖

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機遇進化與麥克斯韋妖
為了把宇宙熱寂說同自然界、生物界等的進化發展現象統一起來,物理學家玻爾茲曼提出了生命的出現是宇宙熱寂總趨勢中的一個「巨漲落」的觀點。他提出的巨漲落好比是江河日下的浪潮中,一個向上飛起的小小浪花。地球生命的出現和進化、人類社會的發展,就是日趨沒落的宇宙中這樣一個向上飛起的小小浪花。根據統計物理學的法則,漲落規模越大,其出現概率就越小。這樣,玻爾茲曼的觀點,就導致一種機遇的進化論,即偶然的進化論————這是一種概率極其微小,萬劫難逢的偶然性,它無法說明自然界進化發展的必然性。
為了尋找自然界客觀存在著的進化發展過程的推動力量,即抵消熵增、熱寂,造成物質系統從無序向有序轉化的因素,在熱寂說提出不久之後,除了有過上述玻爾茲曼的「巨漲落」進化假說之外,還有著名的「麥克斯韋妖」假設————這是一種探求自然界進化的必然的推動因素的假設。
英國物理學家麥克斯韋設想:在自然界有一種微小的「精靈」,它能夠識別、挑選狀態、結構性質不同的粒子,並對它們的運動狀態給予特定的限制,使無序的物質系統變為有序。例如它能識別運動速度不同的分子,並能以其在兩半容器的連通處選擇性的打開或關閉通道的行為,使快分子與慢分子最終分別處於兩半容器的一半之中。這種假設的「精靈」,就被人們稱為「麥克斯韋妖」。藉助於麥克斯韋妖,自然界便可以從無序之中創造出有序,就可以抵消熱力學第二定律所規定的熵增趨勢,從而避免宇宙熱寂的結果,造成自然界的進化發展。
從自然界應當擁有自己的進化、發展能力,即從無序向有序轉化的能力著眼,麥克斯韋妖似乎有著存在的根據。然而,它究竟是不是一種微小的物體,是不是一種生物、一種「精靈」,卻難以從實證科學中找到答案。事實上迄今為止自然科學都沒有提供作為微小精靈的麥克斯韋妖存在的任何證據。不僅如此,1956年第一次提出信息與熱力學負熵等價(即資訊理論的熵與熱力學的熵等價)的旅美物理學家布里淵,在經過理論分析后指出,即使存在麥克斯韋妖,為了使它工作,首先必須供給它有序的能量:為了使它識別分子,首先要照亮分子,因而就要輸入能量,引起熵的增加————相當於損失了有序性。布里淵認為,麥克斯韋妖消耗的有序性總是大於它的工作成績————它所創造的有序性。
就這樣,純屬臆想的麥克斯韋妖已被證明是無能的,多年來它被作為子虛烏有的「從無序向有序轉變能力」的代名詞。麥克斯韋妖的不存在和自然界普遍的自發熵增觀念,成為人們心目中兩個相互等價的牢固觀念。
有關名詞解釋→1:無序(就是指物質的狀態和結構在運動時表現出的混亂現象) 2:有序(就是指物質的狀態和結構在運動時表現出的均勻整齊現象) 3:熱力學第二定律↓
①:熱力學第二定律「開爾文說法」(不可能製造出利用從單一熱源吸收的熱量可以使循環工作的機器作功,而不使外界發生任何變化的這樣一種循環工作的熱機,它只使單一熱源冷卻來作功,而不放出熱量給其他物體,或者說不使外界發生任何變化。)
②:熱力學第二定律「克勞修斯說法」(不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起外界的變化。)
③:熱力學第二定律簡述→能量貶值、熱量轉換現象。
④:熱力學第二定律的一些說明→它不能從普遍的定律推導出來,而是經過大量的實驗和經驗得出的結論。我們雖然不能直接去驗證它的正確性,但它所得出的推論與客觀實際是相符的。以上兩位科學家的說法表明:在自然界中,熱量的傳遞和熱功間的轉變是有方向性的。這個方向性就是熱量只能自動地從高溫物體傳遞給低溫物體,而不能相反進行;功能轉變為熱,而熱不能全部轉變為功!
4:熵→熱力學系統用於表示熱力學第二定律的態函數。在熱力學中,熵S的定義:在某一微小可逆變化過程中的熵變dS=(đQ)可逆/T,其中(đQ)可逆為在可逆微過程中吸的熱,T為熱力學溫度,但對於不可逆過程該式不成立。
5:熵增→利用絕熱過程中的熵是不變還是增加來判斷過程是可逆還是不可逆的基本原理。利用克勞修斯等式與不等式及熵的定義可知:在任一微小變化過程中恆有đQ/T≤dS,其中不等號適於不可逆過程,等號適於可逆過程,對於絕熱系統,則上式又可表示為dS≥0。這表示絕熱系統的熵絕不減少。可逆絕熱過程熵不變,不可逆絕熱過程熵增加,這就是熵增原理。利用熵增原理可對熱力學第二定律理解得更深刻:(1)→不可逆過程總是向熵增加的方向變化。(2)→對於絕熱不可逆過程,熵的增加ΔS必伴隨有W貶的能量被貶值。[說明:對於非絕熱系統,則系統與媒質合在一起仍是絕熱的,因而能量貶值同樣可以適用]。(3)→在可逆過程可以使能量絲毫未減,那麼效率最高,所以在高低溫熱源溫度及所吸熱量給定情況下,只有可逆熱機對外作的功最大;與此類似,在相同高低溫熱源及吸放熱量相等的情況下,外界對可逆制冷機作的功最小。
6:負熵→向外界釋放熱量而使自身能量減少的現象。
7:熱寂→克勞修斯認為宇宙最終將達到平衡態,因而宇宙將處於熱寂狀態的學說,是他將熵增原理應用於無限宇宙所提出的理論。他指出:宇宙的能量是常數,宇宙的熵趨於極大,因而宇宙最終將達到平衡態,即宇宙最終也將死亡。但是按照目前的宇宙膨脹學說,它最終有兩種情況:(1)宇宙是開放的,即它永遠膨脹下去;(2)宇宙是封閉的,即它膨脹到一定的時候會重新收縮,最後收縮到它膨脹的原始出發點。由於自引力系統所經歷的過程具有負熱容特性,而這種負熱容的系統不能滿足穩定性條件,所以宇宙不可能處於平衡態,也就不可能處於「熱寂」。
8:麥克斯韋妖→由麥克斯韋虛構的、由「小妖精」所控制並能違背熱力學第二定律的小盒子。該盒子被一個沒有摩擦並能密封的門分隔為A、B兩部分。最初兩邊氣體溫度、壓強分別相等,門的開關被小妖精控制。當它看到一個快速氣體分子從A邊飛來時,它就打開門讓它飛向B邊,而阻止慢速分子從A飛向B邊;同樣允許慢速分子(而不允許快速分子)從B飛向A。這樣就使B邊氣體溫度越來越高,A邊氣體溫度越來越低。若利用一熱機工作於B、A之間則就可製成一部第二類永動機了。1929年西拉德曾設想了幾種由小妖精操縱的理想機器,並強調指出:機器作功的關鍵在於妖精取得分子位置的信息,並有記憶的功能。在引入信息等於負熵概念后,對此更易解釋:小妖精雖未作功,但它需要有關飛來氣體分子速率的信息。在它得知某一飛來分子的速率,然後決定打開還是關上門以後,它已經運用有關這一分子的信息。信息的運用等於熵的減少,系統熵的減少表現在高速與低速分子的分離。從對麥可斯韋妖這一假想過程的解釋可知:若要不作功而使系統的熵減少,就必須獲得信息,即吸取外界的負熵。但是在整個過程中總熵還是增加的。
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