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定義亂度「熵」──波茲曼誕辰|科學史上的今天:2/20

波茲曼最大貢獻在於以統計學的角度清楚地闡明並定義了亂度「熵」,從而撥開熱力學第二定律的神祕迷霧。

路德維希.波茲曼之墓。圖片來源:wikimedia@Daderotlicense

熱力學第二定律大概是最難說得清楚的物理定律。它有很多不同的表達形式:「熱只能從高溫物體傳到低溫物體」、「熱永遠無法百分之百轉換為功」、「自然狀態總是由有序走向無序」,或是「孤立系統的熵決不會自行減少」。但熱是什麼?何謂有序/無序?熵又如何定義?最重要的是,科學家都無法說明為什麼會這樣──直到波茲曼出現。

他提出粒子的概念,把系統狀態視為所有微觀粒子各自表現的總和,因此系統自然會傾向出現機率較高的狀態。自然狀態會由有序走向無序就是因為構成有序的組合只有幾種,而無序的組合卻有太多種了。

然而當時物理學家尚未承認分子與原子實際存在,因此波茲曼的解釋並未被學界採納,直到 1905 年愛因斯坦提出布朗運動的論文,並在三年後經實驗證實才確認分子運動,波茲曼的學說才逐漸被普遍接受。只不過他在愛因斯坦發表論文的次年就自殺身亡了。其用來描述熵的波茲曼方程式,就是他的墓誌銘:S=k log W

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。