03.03 恆星的產生是不是違反熱力學第二定律——熵增原理?該如何解釋?

星宇飄零2099


回答這個問題之前,要先搞清楚熵增加原理的適用前提!熵增加原理成立的前提條件是:熱力學體系處於孤立狀態。首先要確定,恆星誕生過程時候是否是熱力學體系,其次判斷該體系是否處於孤立體系。然後才能確定恆星的誕生是否違法熱力學第二定律。

我們先討論熱力學。熱力學尤其是經典熱力學(現在有一些學者提出了所謂的“量子熱力學”),是十分唯象的理論,而且由於限制於“平衡態”“孤立體系”,而對更一般的情況缺乏一般性。熵減少的現象其實十分常見,比如說細胞的自組織現象就是典型的熵減少過程。這些現象其實並不違反熱力學第二定律,它們是超出熱力學第二定律的物理現象。因為熱力學第二定律適用的幾個前提在這些問題上全都失效了。

回到恆星問題,恆星的粒子體系,嚴格來說,這個體系不是經典力學體系,而是量子多粒子體系。原因在於三點:第一,恆星的形成需要只能用量子理論才能描述與解釋的強相互作用參與其中;第二,恆星內部的粒子體系存在極其強烈的量子效應,比如說粒子的自發湮滅和產生;第三,恆星穩定性和量子力學的泡利簡併壓有關。這三點導致恆星的粒子體系不是經典體系,而是量子體系。這就導致我們不能僅僅從宏觀角度去分析恆星,還需要考慮微觀層面。恆星的誕生歷史,簡單來說是,首先是因為萬有引力(這裡面沒有考慮引力的量子效應,因為引力的量子效應在這種情況下太弱,沒有考慮的必要性)吸引氣團內聚,導致氣團內部的粒子產生極其劇烈的碰撞,當內聚氣體數量和能量達到一定程度時候就進而引發核反應——強相互作用開始主導恆星,從而點亮這個氣團,這就是恆星的誕生。這個過程中,萬有引力的存在導致恆星粒子體系不是一個簡單的孤立體系,甚至不是一個平衡態體系。外界不斷地像恆星內部提供物質,而且這個過程是不會等到恆星體系達到熱平衡才進行下一階段的物質內聚的,所以熱力學第二定律的適用前提是失效的。因此,熵減過程是不可避免的。但是,我要強調的是:

所有的熵減過程都不違反熱力學第二定律

這是十分重要的一點。熵減過程一旦重新達到“平衡態”“孤立狀態”,那麼熵增加過程又重新開始!換句話說,熱力學第二定律只給出了一個否定語句的命題,該命題否定了熵不能自發增加。

且說這麼多吧!


科學聯盟


恆星是怎麼產生的呢?在標準的理論中,恆星產生於一團氣體雲,氣體雲受到外部的擾動,開始收縮,然後大部分物質凝聚成一團,引力的能量轉化為熱量,引燃核反應,恆星就這樣誕生了。

(圖片來自Wikipedia)

有些人會覺得,這種現象似乎違反了熱力學第二定律,也就是熵隨著時間增長。熵是對物質無序程度的一種衡量。一開始的氣體雲,氣體佔據的空間這麼大,當然非常無序;在變成恆星之後,似乎就變得有序多了。在這個過程中,難道熵不是減少了嗎?

當然不是。

人的直覺很多時候並不可靠。我們一眼看去有序的東西,很可能並不像我們想象中那麼有序;一眼看上去無序的東西,也不一定真的就毫無秩序可言。凡事最好還是具體算一算,這樣才能準確知道。好在,在恆星形成的這個過程中,我們不需要真的做具體的計算。只要換個角度來考慮,很顯然就能得出恆星形成的過程中熵也會增加的結論。

恆星形成的第一步是氣體雲的凝聚。在凝聚的過程中,引力勢能轉化為內能,將氣體加熱。本來,如果沒有這個轉化過程的話,氣體雲的凝聚可以看成理想氣體的絕熱壓縮,在這個過程中熵本身就會增加。再加上引力勢能轉化成的內能之後,熵當然就變得更大了,因為氣體分子的運動更加快更加雜亂無章,也就更加無序。在氣體雲凝聚,然後提升到足夠的溫度之後,核反應開始之後,熵就變得更大了,因為核反應帶來的熱量,以及各種粒子的產生。

所以,恆星產生的過程並沒有違反熱力學第二定律。在這個過程中,熵反而大幅增加。這又是物理學的勝利:我們通過此時此刻在地球表面做的實驗,就能推斷遙遠往昔在宇宙中發生的事情。


Mathemlogical


熱力學第二定律即熱量從高溫物體流向低溫物體是不可逆的。恆星的溫度傳遞只能是由高向低,並不違反這個定律。但是,從大的方面來看,恆星組成星系,所有的物質和能量最後都會被黑洞吸收,光不可逃離,溫度也不例外。而這個溫度釋放和回收過程,說明物質和能量還有熵增熵減,都在這個系統內循環,為一個平衡系統。



熵增或熵減形容的只是獨立循環系統的單向性。我們不能因為水向低處流的特性說它違反了地球水循環系統的水蒸發過程。

這個宇宙中的任何封閉的循環系統都同時是一個平衡系統,它們都遵循能量守恆定律和質量守恆定律。熵增形容的是這個循環系統的單向性——溫度由高向低傳導,水由高向低處流。任何一個獨立的循環系統都同時包含熵增和熵減過程。



自然界,我們看到了地球上水向低處流,百川納海,卻忽略了水的蒸發,擴散全球,重新凝聚為水;我們看到了熱量(溫度)從高向低的傳導特性和釋放過程,卻忽略了物質的聚攏,能量的匯聚,也是溫度的吸收過程;我們看到了地球上物質的有序變無序過程卻忽略了地球也是個大型改造場,地質的運動會回收所有無序的物質高溫回爐重組再經過火山噴發出來……





在人類社會中,似乎大部分都是從有序變的無序,其實不然。我們的法律和道德約束,都是為了讓無序的人類社會活動由無序變得更有序;由山村到城區的改造,難道不是讓住所變得更合理規範有序的過程?

熵,就是質量守恆定律與能量守恆定律的集合體。


分享到:


相關文章: