克勞修斯誕辰|科學史上的今天:1/2

伴隨熱力學第二定律而生的「熵」 (entropy) ,大概是最令人迷惘、最充滿爭議的物理概念了。再也沒有其它物理量像它這樣,一個名詞,卻有各種表述,而每個表述看起來還都各不相干。創造這個神秘的物理概念的人,正是率先提出熱力學第二定律之一的德國物理學家克勞修斯。

魯道夫·克勞修斯。圖/wikipedia

1854 年,克勞修斯首度賦予熱力學第二定律明確的定義:

「熱不能自發地從低溫物體傳向高溫物體。」

因此,熱的傳導是單向的、不可逆的過程,只能由高溫物體流向低溫物體。

為了賦予系統一個明確的物理量,以判斷此自發過程的進行方向,克勞修斯後來才發明熵這個全新的物理量,定義一個系統的熵的變化量就相當於物體熱量的變化量除以其絕對溫度的商值。定義很明確,但其物理意義究竟是什麼?大英簡明百科全書的說熵是物質系統不能用於作功的能量的度量,有人說熵是系統的亂度,資訊理論又會說熵是一種資訊的度量。無論是哪種詮釋,根據熱力學第二定律,在自然狀態下,熵總是愈來愈大。代表有用的能量愈來愈少;亂度越來越大;資訊逐漸散佚。

由此,克勞修斯推導出一個悲觀的結論:「宇宙的熵趨於最大值」,宇宙無可避免的注定走向一片死寂,也就是所謂的「熱寂」。即使科技再進步,我們可以像電影《星際效應》那樣移民到其它星球,以因應地球資源耗盡或是太陽最後吞噬地球的末日來臨,但是,我們卻無力對抗熱力學第二定律,無論逃往哪個星球,億萬年後一切終將崩解,什麼也不會留下。

克勞修斯大概不會預料到他的熱力學第二定律以及他對宇宙命運的悲觀預言會主宰人們對未來的看法長達一世紀,直到量子理論出現才有所改變。不過這樣的省思也是好的,正如數學家兼哲學家羅素在 1923 年寫下的感慨:

「人類長久以來的努力、奉獻、熱情和智慧的結晶,都將隨著太陽系的滅亡而煙消雲散。人類的成就最後終將長埋在宇宙的碎屑中。這幾乎是無庸置疑的事,所有相反的論調都會被推翻。只有在這些真理的框架中,只有在極度絕望的基礎上,靈魂才能找到棲身之所。」[註1]

註解

  • [註1]:摘自《穿梭超時空》/ 商周出版社

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。

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