論熱的力學理論基本方程的幾種便用形式
他為「熵」命名——並給了宇宙一支時間之箭。
克勞修斯把關於宇宙最無情的那個事實——萬物都在衰朽——拿了過來,給了它一個名字、一個數,和一個方向。
核心想法
熱總是朝同一個方向流動:從熱到冷,絕不反向,除非花費些什麼去推動它。克勞修斯把這種「單向性」收進了一個量裡,他稱之為熵——它度量的是:有多少能量已經攤開、變得無法再利用。他的定律是:在任何封閉系統裡,熵只增不減。能量從不流失(這是第一定律),可每一刻流逝,都會有多一點的能量,滑入一種你再也駕馭不了的形式。
他把熱力學的兩條定律,總結成了至今仍被引用的一對句子:「宇宙的能量守恆。宇宙的熵趨於極大。」
它是如何誕生的
到了 1860 年代,薩迪·卡諾關於熱機的洞見(1824)已被救回、並被重新構築——由威廉·湯姆森(克耳文勳爵),也由克勞修斯本人,一位當時在蘇黎世任教的普魯士物理學家。此時人人都已同意:熱與功是同一樣東西的兩種形式,而真實的熱機裡,總有某種不平衡悄悄滲入。可那不平衡,既沒有名字,也沒有乾淨的數學。
1865 年,克勞修斯把兩樣都補上了。他一直在追蹤一個量,稱之為「轉變的等價值」;如今他意識到,它是系統一項真正的屬性,像溫度一樣實在。它需要一個詞。他從希臘文「轉變」中造出了「熵」(entropy),並刻意讓它與「能量」(energy)押韻,好讓熱的這兩個偉大的量,永遠被人成對地記住。
它為何重要
在熵之前,第二定律不過是一條關於蒸汽機的經驗法則。有了它之後,它便成了一條普適的記帳律:自然在記一本帳,而其中一欄——熵——只會增長。僅此一個想法,便解釋了:為何永動機不可能、為何熱不會自行往高處流、為何你的咖啡會變涼卻絕不自發回溫、以及為何時間彷彿只朝一個方向奔流。同一個詞,如今從化學一路伸展到資訊,再到黑洞。
一個可以想像的畫面
拿一副嶄新的撲克牌,按花色排好。洗一次,秩序就散了;一直洗下去,它也絕不會自己排回原樣。雜亂的排法,遠比整齊的排法多得多,所以「洗亂了」不過是這副牌幾乎注定要落到的去處。熵,就是宇宙的那一次次洗牌:熱攤開來,差異被抹平,而那個平滑、溫吞、混得勻勻的狀態,正是「能這樣存在的方式」壓倒性地最多的那一個。你可以用手把一副牌重新排好——但只能靠花費氣力,而那氣力,又會在別處攪起新的混亂。
它的位置
這篇論文,是本館讓你得以走過的一道拱門的拱心石。卡諾(1824)提供了可逆性的論證;克耳文建起了絕對溫標;克勞修斯(1865)為熵命名、並陳述了第二定律;波茲曼(1877)隨後以原子與概率,解釋了熵為何升高;而夏農(1948)又借走了同一套數學,去度量資訊。卡諾原本只想改良蒸汽機——可他的問題,經由克勞修斯之手,最終竟為時間定下了方向。
兩條基本定理
The whole mechanical theory of heat rests on two fundamental theorems: that of the equivalence of heat and work, and that of the equivalence of transformations.
Heat can never pass from a colder to a warmer body without some other change, connected therewith, occurring at the same time.
為「熵」命名
We might call S the transformational content of the body.
But as I hold it to be better to borrow terms for important magnitudes from the ancient languages, so that they may be adopted unchanged in all modern languages, I propose to call the magnitude S the entropy of the body, from the Greek word τροπή, transformation.
I have intentionally formed the word entropy so as to be as similar as possible to the word energy.
宇宙的兩條定律
The energy of the universe is constant. The entropy of the universe tends to a maximum.