1840印第安重生 第191章 【熵】

“为什么？”许多人不禁问道，“这并不违背能量守恒定律。”

“是的，第二类永动机并不违背能量守恒定律，但它却违背了另一条定律。”马哨停顿了一下，“这条尚未被明确的定律正是我今天的演讲主题——热力学第二定律。”

他说的是“尚未被明确”，而非“尚未被发现”。

与其它学科相比，热力学的发展似乎更接近于渐进式。比如能量守恒定律，部分科学家早就隐约意识到了，只是最近几年才被明确下来。

热力学第二定律也是，一些敏锐的物理学家同样已经隐约意识到了这条定律的存在，只是说不清楚，隔着一层薄薄的窗户纸。

此时的物理学家们只要再回头仔细审视卡诺定理，就不难意识到热力学第二定律的存在。

事实上，在原本的历史中，两三年之后，在重新审视卡诺定理之后，克劳修斯和开尔文就会分别给出他们对这条定律的理解。

而如今，克劳修斯和开尔文显然没有这个机会了，马哨会把热力学第二定律讲个通透。

“第二定律？”法拉第不禁说道，“听上去很有意思。”

马哨说：“第一定律告诉我们，能量不生不灭，而只能被转移，而第二定律讲的则是能量转移的规则——能量并不能随意地转移。”

“大自然对我们的限制总是比我们想象得要多。”他插了一句。

“关于这种规则，直白地讲，就是不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。”

“在知道了热力学第一定律之后，我们回头看看卡诺定理，不难发现，热力学第二定律其实是卡诺定理的前提，只有它成立，卡诺定理才能成立……”

台下议论纷纷。

能量守恒定律告诉人们，热和功是等价的，可以互相转化，而卡诺定理描述的热和功却并不完全相同，功可以完全地转化为热，反之却不行。

如果能量守恒定律和卡诺定理都没错，那么显然，还需要另一条定律来支撑这个体系，也就是热力学第二定律——能量虽然可以互相转化，但却有方向的限制。

这个道理并不复杂，经马哨这一说，很多物理学家都明白过来。

“原来如此！”

“一点都没错，如果没有这条定律，卡诺定理就无法成立了。”

“这确实意义关键，绝对可以算是热力学第二重要的定律。”

“该死，前不久我也注意到了这个问题，可是我居然没有细想！”有几个物理学家懊恼不已，“上帝啊，我错过了什么！”

“他可真是个幸运的家伙！”一些人看着台上的马哨，不禁酸溜溜地说道。

显然，他们认为发现热力学第二定律是运气使然。

这倒也没错，如此粗糙叙述的物理定律确实没什么技术含量，难以让人心服口服。

于是马哨继续说道：“当然，这只是一个粗糙的描述，它看上去不像是物理的定律，而像是哲学的格言。”

“就像牛顿的着作，物理是哲学和数学的结合……因此，为了使它成为真正的物理定律，我们需要用数学语言进行阐述，我们要引入一个可以计算的概念——熵。”

“熵？”台下的人们一头雾水，尝试重复这个拗口的名字。

马哨没有使用他前世所知的熵的英文名，而是用了阿帕奇语里的“原劫”，灵谕教的宗教术语，英国人自然会觉得拗口。

“这是个阿帕奇词语，意思是‘原始的劫难’，类似原罪。”他解释道，“事实上这确实也是一个宗教词语，我的族人为这个词语赋予了一些宗教概念。”

“阿帕奇人信奉什么宗教？”人们难免感到好奇。

于是马哨先是大致介绍了一下灵谕教，然后话锋一转：“当然，我并不是很提倡宗教，我一直在建议人们遵循更理性的思维方式……不管怎么说，至少在这里，一场物理学会议上，我们还是少谈些宗教话题吧。”

毫无疑问，马哨描述的宗教勾起了人们的好奇心，这也是他想要的。

但他没有多说，毕竟他不能做传教士，眼下也不是传教的场合。

“在这里，原劫或者说熵，是一个纯粹的物理上的概念。熵的内涵很复杂，从几年前想到它，一直到现在，我对它的理解不断被修正。”

“首先，我们来回顾卡诺的工作。”

说着，马哨再次转过身，在讲台后面的黑板上写下一些公式。

“我们可以对任意热循环过程做微分，将其约化为由大量卡诺热机叠加而来的热循环过程。接下来，根据卡诺的结论，我们得到这个结果……”

对于在座的许多物理学家们来说，这些都是他们熟悉的内容，不难理解。

当然，那些不懂微积分的物理学家除外——确实有这样的物理学家。

比如法拉第的微积分水平就很值得怀疑，大概率是不懂的。

法拉第出身贫寒，没有受过多少正规教育，远非一个精通数学的物理学家，他的工作基本都在实验领域，是出色的动手能力和物理直觉让他成为了一流的物理学家。

可以说，在同段位的物理学家当中，法拉第的数学水平可能是最差的那一个。

数学上的短板，也是他未能将电磁学的研究更进一步的原因，好在不久之后，年轻而又天才的麦克斯韦将替他完成这项使命。

片刻之后，马哨将公式中的一个变量圈出来，说道：“这个变量，或者说状态函数，就是我所说的‘熵’。”

他圈出来的变量自然是克劳修斯熵，这也是“熵”的最早定义。

“……现在，我们不难发现，对于一个孤立系统而言，它的熵是一个无法减少的数值，熵变必然大于等于零。熵无法减少，便是反映了能量转化的方向性。”

“这里的不等式，也即热力学第二定律的数学表达。”他指着黑板上的克劳修斯不等式。

这一通操作下来，在场的物理学家们不得不服了。

如果说，发现热力学第二定律可以靠运气，但从这条定律中提炼出数学表达式，没有一番扎实的功底是万万做不到的。

“熵……我想用不了多久，这个词就会出现在所有的教科书上了。”汤姆森感慨地说。

“一个伟大的发现！”法拉第不禁拍手称赞，虽然他看不懂数学推导的过程，但凭借着超凡的物理直觉，他无疑感受到了熵的奇妙之处。

“啪啪啪——”随着他的掌声，其他物理学家也纷纷跟着鼓掌。

“谢谢。”马哨笑了笑，礼貌地回应着。

然而随后他便收敛了笑容，话锋一转：“不过，这并不是我最终的思考结果，也远不是热力学第二定律的真正面貌。”

掌声迅速平息，人们安静而又诧异地看着他。

在他们看来，刚刚的演讲已经称得上是物理学的典范，然而马哨却告诉他们，这并不是结果？

面对着众人疑惑的目光，马哨神色平静，缓缓说道：“我们用数学表述了热力学第二定律，但是我想你们都注意到了，‘熵’这个概念似乎还没有实际的物理意义与之对应。”

“这个问题困扰了我许久。经过长期的思考，我得到了一个比较满意的答案，正是因为这个答案，我才会将该变量命名为‘熵’——阿帕奇语中的‘原劫’，一个象征着无尽劫难和考验的概念。”

停顿了一下，马哨又道：“接下来，我们来探讨‘熵’的本质。”