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百家争鸣:热力学的尴尬

已有 3896 次阅读 2012-11-25 16:10 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 热力学

 

       热力学是最为依靠逻辑推理的学科之一。这是因为,它无法对运动进行精确的描述。从而,它是使用泛函的变分来表达各种热力学量间的关系。

       一旦采用这种形式化,它也就很难于区分引起热力学现象的具体原因。这种因果性解释上的非唯一性与牛顿力学的精确性形成鲜明的反差。

       吉布斯把这种热力学上的运动概念(温度)的非唯一性通过布朗运动做出解释,从表面上看就与牛顿力学无矛盾了,这是通过“能量”这个概念来达成的。

       从而,内能概念就成为了热力学的基础概念。从一开始,这就是一个泛函。

       在布朗运动中,加上短程相干,长程不相干的概念,可以用统计学的方法得到运动的宏观精确描述。其后来的扩展就是统计力学。

       为了把这个方法纳入到微积分的精确定量体系中,出现了两个核心概念,一个是熵,一个是“分布”。系统的“分布”是一个几何测度(度规)的等价物,从而,“分布”的变化就是“几何运动”的等价物。而熵的概念则是“广义力”概念的等价物。

       使用作用量为泛函,一个热力学系统就成为了一个“普遍”的哈密尔顿系统。与动量坐标相联系的正则变换也就使得热力学披上了精确化的外衣。

       我们学到的经典热力学大概也就是如此了。

 

       但是,由于分布概念和熵的概念都是使用温度参量来定义的,在逻辑上不独立,从而,无数的不同观点就避不可免的出现了。

       搞理论研究的把目标定位在熵的概念。如果它是“广义力”的等价概念,则可以为负,但是,这与温度(运动)的随机性假设矛盾,从而,熵绝对的不能为负。这个矛盾被普利高津抓住了,他巧妙的使用涨落概念用正则化方程的解来论证自身理解的合理性,从表面上看是回避了“分布”(几何运动)的概念。

       在普利高津把矛盾的焦点转移到:开放系统与封闭系统以后,其变种:平衡系统与非平衡系统也就连带的成为另一个焦点。

       一个大家都高兴的办法是:熵绝对的不能为负。但是,其增量变化可正可负。

 

       搞实验研究的和搞工程应用的把目标定位在分布的概念上。从而,任何一个热力学现象总是能对应于某种“分布”。一种满足感油然而生。他们拒绝任何的批判,无论是来自理论界的,还是来自同行的。

       热力学就这样成了“神圣不可侵犯”的学科。它的神圣性表现在:(1)第零定律,温度的定义(纯逻辑性的);(2)第二定律,熵增定律(断言式的);(3)“分布”的无所不能性(数学表达上的)。

       所以,对热力学的理论出现各持己见的争论就是很正常的事情。

 

       但是,一百多年来,对熵的概念的理论研究工作从来没有中断过。这是热力学中最为“神秘”的概念。

       有一段时间,在容忍负熵概念后,熵被等价为“时间”的运动方向概念。从而,一个推论就是;时间的起点就是零熵。这也就从一个侧面支持了宇宙大爆炸理论。

       由于熵和温度是孪生兄弟,任何一方的独到见解都会受到另一方的强大制裁。从而,我们学者对热力学的批判性讨论在某种程度上表明:我国的科学研究开始对准目标。

 



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