logo 首頁 > 文匯報 > 教育 > 正文

【科學講堂】秩序總變混亂 整個宇宙適用

2019-10-23
■一滴有顏色的墨水滴於池塘之中,最初的時候墨水和池水還是很有「秩序」;然而慢慢地墨水卻會擴散開去,逐漸與池水混為一體。 網上圖片■一滴有顏色的墨水滴於池塘之中,最初的時候墨水和池水還是很有「秩序」;然而慢慢地墨水卻會擴散開去,逐漸與池水混為一體。 網上圖片

科學家很愛歸納,從世界各種各樣看似分散的例子中,找出當中的規律,以求指出一條在大部分場景下(最好當然是所有場景下)都能適用的法則。那麼有沒有這樣的法則,可以讓我們拿來理解整個宇宙的大概發展方向?

熱力學第二定律 從秩序變得混亂

其實可以說是有的!物理大師愛因斯坦當年就說過,如果要他猜想哪一個當時的理論可以維持最久、最難以被新的理論推翻,他會挑選熱力學(Thermodynamics)的原理。顧名思義,熱力學就是研究熱力、溫度等等概念真正意義的學科,因而會探索我們的世界在不同溫度下運作的情況;這樣的學科當然在工程等等領域有不少實際的應用及影響,但這個學科也包括了許多抽象的概念,可以應用於很多不同的場景。今天要和各位介紹的,就是熱力學之中的第二定律。

這個熱力學的第二定律,說起來博大精深,關聯上不少抽象的想法。這些今天我們都暫且不提,只介紹它的其中一個重要意義:根據這條定律,一個密閉的系統會慢慢由比較有「秩序」的狀態變成愈來愈「混亂」。這裡所提到的「秩序」及「混亂」,需要額外解釋一下:一個系統的各個部件,假如能整齊地分類,按照一些規則而「各如其分」地運作,就是這裡所說的「秩序」。

從這個角度看來,一隻雞蛋很有「秩序」:不同成份的物料各自分隔開來形成蛋黃、蛋白和蛋殼,我們怎麼能說一隻雞蛋「混亂」?相對來說,蛋黃、蛋白被混成一團的炒蛋,全無組織可言,就相對來說較為混亂了。

由此看來,這個熱力學第二定律其實跟我們日常累積起來的經驗很一致:我們大多見過一隻「有秩序」的雞蛋變成「一片混亂」的炒蛋;反過來說,倘若一團炒蛋在我們眼前轉回一隻雞蛋,我們自然會是嘖嘖稱奇了。同樣道理,假如我們將一滴有顏色的墨水滴於池塘之中,最初的時候墨水和池水還是很有「秩序」、涇渭分明地分隔開來;然而慢慢地墨水卻會擴散開去,逐漸與池水混為一體,變得「混沌」不堪了。

要想逆轉定律 就要外界能量

不過我們放眼四周,天下大勢,好像又不完全是「從有秩序變成混亂」:太陽系形成之前,我們現在身處的地方其實是一片虛空,大體上只有一大團的氫氣、部分氦氣和更少量的物質在到處「漂浮」。這樣的境界,跟現在很有規模的太陽系相比,應該反而是更「混亂」。我們現今的社會,有茼U種各樣的結構,人與人、人與物之間的溝通無比複雜,相比起我們祖先四處收集野果、狩獵動物的生活方式,應該是現在的生活顯得萬分有「秩序」。那麼「告知」我們要從「有秩序」變成「混亂」的熱力學第二定律,是否本身就很有問題?

情況自然並不如以上所說的一團糟。這個第二定律,嚴格來說,只適用於與外界隔絕的密閉系統。要逆轉第二定律,從混亂變得有秩序,其實並非絕不可能:只是要達到這個目標,需要從外界注入能量。正因如此,人類社會一直以來的發展,都建基於我們可以運用到的能量來源。人類的這個能量來源與社會發展的關聯,下一次再和大家詳細分享。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

讀文匯報PDF版面

新聞排行
圖集
視頻