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作者:[英] 彼得·阿特金斯

作品简介:

虽然,科学已渗透到社会的各个领域和层面,科学的价值和地位也更高了,但是,毋庸讳言,在一定的范围内或某些特定时候,人们只是承认“科学是有用的”,只停留在对科学所带来的结果的接受和承认,而不是对科学的原动力——科学的精神的接受和承认。此种现象的存在也是不能忽视的。

科学,特别是自然科学,最重要的目标之一,就是追寻科学本身的原动力,或曰追寻其第一推动。同时,科学的这种追求精神本身,又成为社会发展和人类进步的一种最基本的推动。

为什么是《伽利略的手指呢》?因为伽利略标志着科学史上的一个转折点,即从那时起科学探索开始朝着一个新的方向转变,而“科学家们”——当然,这个词用来指代当时的研究者其实并不恰当——则从先前的“摇椅式”空想中解脱出来,并对先前囿于权威的各种探求世界本质的方法的有效性提出质疑,从而在通往现代科学的道路上迈出了蹒跚的第一步。

在这本杰出的阐释当代科学核心思想的著作中,彼得·阿特金斯盛赞了伽利略极具象征意义的手指在揭示宇宙、地球及人的本质时所具有的强大力量。作者通过深入浅出的讲解,带领我们逐步领略科学的全貌与本质,深入了解当今十个核心科学思想。无论是你身处其中而不自知的能量,还是一切变化之源——熵,从宇宙学到时空,从DNA到对称,你能接触或想到的相关知识。

彼得·阿特金斯(Peter Atkins),英国牛津大学化学系教授,并且也是该校林肯学院的特别会员。他是世界著名的多产科普作家,已撰写了20多部书,其中包括影响甚广、知名度颇高的Moiecules和在世界范围内广被采用的教科书Physlcal Chemistry。

试读

熵 变化发生的源泉

伟大的思想

所有的变化都是无意的能量塌陷以及物质趋于混乱的结果

不了解热力学第二定律犹如从未读过莎士比亚的任何一部著作一样。[37]

——C.P.斯诺

可能绝大多数人都不会去追问“世间的林林总总的事情为什么会发生?”(即产生了“变化”)这种问题。一般说来,深奥的问题常常会被人们错误地认为是幼稚的。但正是在对这些看似幼稚、实则深奥的问题的探索中,宇宙的本性才暴露在我们面前。而上述问题“宇宙中事件为什么会发生?”就属于此类,因为我们将会看到,正是在对此类问题的不懈追问中,我们才最终获得了对这个问题的全面理解。在此基础上,我们才能够比较彻底地理解日常生活中的再简单不过的事情,比如热咖啡为什么会变冷这一现象等;另外,我们将至少能够部分地理解日常生活中最复杂的事情,比如出生、成长和死亡。

我们上述关于事情发生(即变化)的起因问题属于热力学的研究范畴,热力学研究的就是能量的转化问题,尤其是热功的相互转化。但是热力学理论的建立并不是轻而易举的,因为正是它的发源——对蒸汽机效率的探究过程——阻碍了人们对它的理解和接受。人们往往想当然地认为蒸汽机只不过是一个外形笨重的家伙,而并不会想到它能够翻开科学史上崭新的一页,更不要说依靠它来建立一个有趣的理论了。蒸汽机代表着工业化厚重的历史分量,不过进一步展开来的话,它还象征着伴随工业化而来的一系列压迫和社会负担(图4-1)。蒸汽机代表的是不洁而非纯净,是城市化而非乡村化,是笨重而非精巧。那么这种隆隆作响,散发腾腾热气的庞然大物又是怎样帮助我们理解遍及这个奇妙世界且构成精致网络的一系列事件的呢?

图4-1 蒸汽机看起来就像一个笨重的大家伙,但事实上它却揭示了宇宙运行的规律(事件的变化)。就像本章所要阐述的,我们将会看到,当用一种合理的抽象方式进行表达时,世间万事万物,无论在我们内部还是外部的事件的变化,实际上都可以看作是由“蒸汽机”来驱动的

我们已经知道,科学只有在达到更深的抽象性层次后才能更进一步地阐明事情的本质。在本例中(蒸汽机)也一样。当我们揭开蒸汽机厚厚的铁皮,将其抽象性暴露出来时,我们就会获得对所有变化发生的动因的理解。这就是说,假如我们只把目标锁定在蒸汽机的实质,即其抽象的核心内容上,而忽略其他一切外在影响(干扰)因素——比如蒸汽、排气管、油滴及其工作时发出的隆隆响声等——我们将会发现一个在其他一切事件中都适用的理论。科学就是这样的:它往往先从一个具体事件中提取精髓,提炼出伟大的思想,然后再将这种“具体”推广到“一般”,并发现整个自然界的一般规律。从众多不同事件中提炼出隐藏在其中的同样的思想,这就意味着我们已经获取了对整个世界的一般性和普遍性的认识。借助诗人之眼,我们看到的是事件的肤浅的表面,但这并不是说该事件不具备激情和使人奋发向上的资质;而借助科学家之眼,我们却透过了事件的表面看到了它的本质。在本章中,我们将逐层剥开事件的表面现象,去发现它们的内部实质。

在19世纪,科学家们已经初步窥见了这一“内理”,即蒸汽机原理几乎涵盖了宇宙中一切变化发生的驱动因素,而在20世纪初这种认识已趋于成熟。但是热力学理论仍存在一个问题:它带有浓重的维多利亚时代的色彩。在那个年代里,热力学往往被人们当作研究过去发生的事件的学科,且除了工程师以外,没有人会认为它与我们对当今世界的理解有任何关系。但即便有这种误解,热力学理论事实上已经根深蒂固了,且它的枝叶已经延伸到了现代社会的各个角落。按现今方式理解,热力学理论是学科相关性最强的理论之一。

为了有身临其境之感,我将和读者朋友们一起去探寻一下热力学在19世纪的发展史,并且将4位已故的科学家和盘托出。这4位科学家——萨迪·卡诺、威廉·汤姆森(开尔文)、鲁道夫·克劳休斯和路德维希·玻尔兹曼——在提取蒸汽机工作本质的过程中作出了相当大的贡献。我们将循着“熵”这一伟大思想萌芽的路径,借助上述4位科学家的眼睛并先从他们的视角去审视热力学原理,之后我们将以现在的观点对其进行重新审视。毫无疑问,“熵”将成为我们这一章中讨论的核心内容。

在19世纪早期,蒸汽机是财富的象征。随后我们将会看到,蒸汽机(原理)同样也是大千世界中一切“变化”的缩影,但是我们还是先来谈谈其对于财富的象征意义。英国是当时世界上最早进入工业革命的国家,蒸汽机的普及率也是最高的。无论在矿山,还是在纺织厂,到处都是隆隆作响的蒸汽机在拼命地工作,甚至为了更方便地使用,工程师们给笨重的蒸汽机加装了轮子,使其“触角”延伸到了各行各业中。蒸汽机的大规模使用使得英国经济飞速发展,并成为当时世界上最强大的国家。蒸汽机对当时英国社会的影响可比肩计算机对当今社会的影响。但另一方面,英国的强大招致了英吉利海峡对岸的法国的担忧和嫉妒,因为当时法国的蒸汽机普及率和效率都较英国低很多,这直接影响了采矿效率。因此对于法国的工程师们来说,当务之急就是提高蒸汽机的效率,从而提高采矿效率。在这里,我们不禁要问:水是最好的热功转化的介质吗?可以用空气来充当这种媒介吗?高压比低压更有利于提高蒸汽机效率吗?温度有何作用?运用理性进行缜密思考的法国人能够后来居上,在这项已经成为英国人的“游戏”中(蒸汽机)击败英国吗?

最终,一缕阳光穿透笼罩在问题答案上的层层雾霭,带给了法国人以希望,萨迪·卡诺终于在1796年诞生。之所以说“终于”,是因为卡诺的坚持不懈的父母之前还生过两个孩子,但是这两个都叫作“萨迪”的孩子早早就夭亡了。他们的第3个孩子,也就是萨迪·卡诺终于成功地活了下来,并且在世时间较前两个要稍长一些,直到其36岁时因感染霍乱去世。尽管萨迪·卡诺的在世时间也很短暂,但是其不到40年的有生岁月,却足以使他因其卓越的科学贡献而青史留名。

卡诺对于蒸汽机原理的认识在现在看来基本是错误的,但是他所确定的蒸汽机的本质这一成就所具有的强大思想力量却足以照耀古今,即便他的认识还存在着根本性错误。卡诺遵循的是当时流行的观点(至少在其思想最初形成的时候是这样的,尽管他的这种认识在后来发生了转变)——我们在第3章中遇到过的——热是一种流体,即卡路里,它从一个热源(高温物体)流动到一个冷体(低温物体,即接受热的物质),在此过程中,发动机得以运转,这就像水轮被流动的水推动一样。除此之外,卡诺还认为热作为一种流体在其从热源流动到冷体的时候,是既不能被创造又不能被毁灭的。尽管他的模型是建立在错误认识的基础上的,但是卡诺却得出了一个令人十分诧异的结果:一个理想蒸汽机(即忽略摩擦和能量流失等外部影响因素)的效率只决定于热源和冷体(接受热)各自的温度,且它不受压力和工作介质本身性质的制约。[38]因此,为了达到最大效率,理论上应使热源的温度越高越好,而使冷体的温度越低越好,因为对理想热机来说,其他所有的参量(影响效率的因素)是忽略不计的。

卡诺的这一违反直觉的结论在当时的工程师们看来是极其荒谬的,而卡诺在1824年所著的《论火的动力和能产生这种动力的机器》也没有受到太多关注,并逐渐被人们遗忘。但幸运的是,他的思想并没有被抛进故纸堆中,其仅有的一丝线索却维持着这种思想的持续脉动,穿越历史的时空并最终引起了威廉·汤姆森(1824-1907,即拉各斯的开尔文爵士)的注意。为方便起见,我们接下来就称其为开尔文。就像我们在第3章中所讨论的那样,开尔文和焦耳两人共同为推翻热的卡路里学说立下了汗马功劳,并且已经知道了热是能量转移的一种方式。而当时整个世界也开始认识到了能量具有守恒性,而热并无守恒性。热和功则由于同属能量的两个方面(能量的两种转移形式),因而可以进行相互转化。之前的“卡路里在发动机中进行流动”的思想也已经让位于“能量在进行流动”这一新思想,而且人们也已经不再把发动机当作能量的制造厂,而是将其当作热功转化过程中,能量进行转移的一个媒介。上述理论一般称为热机原理,而热机就是指能够将热转化为功的机器,包括蒸汽机、蒸汽涡轮、喷气发动机以及内燃机等等。

开尔文被卡诺的“火的动力”所激励,他随后又对蒸汽机的效率问题进行了深刻反思,并对卡诺的工作进行了量化处理。卡诺当初运用了一些简单的算术方法发展出了他的上述思想,但他并没有运用数学所特有的严谨性,以一种更现代和更引人注目的词语对其思想进行表述。

图4-2 上图是阐述蒸汽机(更一般地说是热机)工作原理的示意图。其中有一个用来提供能量的热源(温度较高),还有一个用来将热转化为功的部件(在真正的蒸汽机中,它就是指汽缸中的活塞),还有一个散发“多余”热量的散热器

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