老子“萬物負陰而抱陽，沖氣以為和”與熵增定律
--黑體輻射揭示了“萬物負陰而抱陽“的科學性
日本政府4月13日決定將福島核電站的核廢水排入大海的新聞，讓大眾再次聞“輻射”而驚恐，“輻射”這個詞自然聯(lián)想到了核輻射 。實際上，任何物質(zhì)只要溫度高于絕對零度，都會發(fā)生輻射現(xiàn)象，太陽光是一種光輻射，手機會有電磁輻射，連我們吃的香蕉都會不小的輻射 。當然，我們正常生活中受到的各種輻射都很小都是安全的，這跟日本的核廢水會產(chǎn)生危害的核輻射是不一樣的 。
一切物質(zhì)除了會自發(fā)的輻射電磁波，也會吸收、反射電磁波 。這些電磁波輻射跟物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射 。為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學家們定義了一種理想物體——黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的標準物體 。理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，并將這些輻射轉化為熱輻射，其光譜特征僅與該黑體的溫度有關，與黑體的材質(zhì)無關 。這種黑體發(fā)出的熱輻射，就是黑體輻射了 。普朗克研究了黑體輻射的規(guī)律，打開了量子力學的大門 。
文章插圖
黑體輻射的光譜曲線
在筆者的上一篇文章《 》提到了熵增規(guī)律和老子的陰陽概念之間的關系，本篇文章繼續(xù)對這個問題進行研究 。
熵增定律 熱力學第二定律指出不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化 。1865年德國物理學家克勞修斯提出了熵的概念，用它來表示通過熱量改變來測定的物理量，用來描述熱力學第二定律的這種熱量傳導的不可逆過程，其物理表達式為：S =∫dQ/T或ds = dQ/T 。根據(jù)這個表達式，我們假定在一個孤立系統(tǒng)中有兩個物體，一個是高溫物體一個是低溫物體，高溫物體的熵是：
S1 =∫dQ1 / T1
低溫物體的熵是：
S2 =∫dQ2 / T2
經(jīng)過一段時間后，兩個物體溫度一致，熱量傳導完成，根據(jù)熱力學第一定律即能量守恒定律，高溫物體釋放的（減少的）熱量一定等于低溫物體吸收的（增加的）熱量，于是有：
∫dQ1=- ∫dQ2
現(xiàn)在我們來考察擁有這兩個物體的整個孤立系統(tǒng)的熵，它的總熵應該是兩個物體的熵之和：
S = S1+S2 = ∫dQ1 / T1+ ∫dQ2 / T2
由于T1 > T2，將上面第三個式子代入，我們得到下面的不等式：
S>0
這就是著名的熵增公式，它揭示了一個孤立系統(tǒng)中發(fā)生不可逆的絕熱過程，系統(tǒng)的熵永遠是增加的，這就是熵增定律 ?，F(xiàn)在物理學家普遍認為，宇宙是一個孤立系統(tǒng)，那么根據(jù)熵增定律，宇宙的熵會一直增加，直到宇宙中所有物質(zhì)都達到熱平衡，溫度接近絕對零度，宇宙的物質(zhì)不再活動，這樣的宇宙似乎就死亡了，這便是可怕的“熱寂” 。不過到達這一天時間太過漫長，我們?nèi)祟愑貌恢饺藨n天 。
黑體輻射與熵增 前面講了什么是黑體輻射，現(xiàn)在我們再來考察證明熵增現(xiàn)象的孤立系統(tǒng)中的兩個物體，顯然在我們前面的思想實驗中這兩個物體就是我們說的黑體 。高溫物體發(fā)出熱輻射，溫度降低，高溫物體的熵減少，熵函數(shù)呈現(xiàn)負向變化量，即負熵；低溫物體吸收熱輻射，溫度升高，低溫物體的熵增加，熵函數(shù)呈現(xiàn)正向變化量，即正熵 。然而克勞修斯不等式的神奇之處就在于它證明了孤立系統(tǒng)中兩個黑體的“負熵”與“正熵”之和不是等于零，而是永遠大于零 。所以這個思想實驗展示了黑體輻射和熵增現(xiàn)象之間的神秘關系 。
克勞修斯的熵概念反映的是宏觀上人們對于人力學過程的直觀概念，它基于人們無可辯駁的實驗觀察，但是熵函數(shù)的內(nèi)在原理還需要探索 。玻爾茲曼在研究分子運動統(tǒng)計現(xiàn)象的時候，給出了熵函數(shù)統(tǒng)計學意義上的表示：
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