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第731节


水龙头,增加出水量。继续统计一分钟水滴个数。会发现,水滴个数不变,仅仅是大水滴、小水滴、大水滴、小水滴这样的方式滴落。当出水量大到一定程度,水滴个数突然变成原来的两倍!在原来滴落两滴的时间内,四滴水滴落。继续拧大水龙头,观察水滴个数,发现增加的规模都是两倍。以原始两个水滴之间的时间间隔为单位,统计此时间段内水滴的个数,则水滴个数就是2、4、8、16…这样的序列。没有其他情况出现!当水滴个数增加到一定程度后,水滴序列不再有规律,水滴似乎随机下落,混沌出现!继续放大出水量,水滴之间无分割时间,变成小水流。(注意水龙头下面用容器接水,避免浪费。此时不能用称重的方法来统计水滴个数,因为大小不同。)

    梅乐芝经理的科普文章(十四)

    第14节从无序到有序

    前面曾介绍熵,就是混乱程度的度量。而混乱程度就是无序程度。如何体会混乱?在一个系统中,以什么标准来表达混乱程度的增加或减小?以4硬币的系统为例,全部是正面或反面朝上,则系统仅有2种状态。如果是2个正面2个反面,则有12种状态。以状态的数量为混乱的程度指标,那么硬币系统全部同面向上的状态数量最少,无序程度最低,有序程度最高。2正2反的无序程度最高,有序程度最低。冰中的水分子固定某个位置震荡,而水的分子可以自由移动,同质量水就比冰的熵高。由热力学第二定律,封闭系统(物质和能量守恒)的熵总是增加的。也就是混乱是系统趋势。但在自然界,可以发现大量由无序变有序(无序程度由高变低)的情况出现。秋高气爽,天气中经常出现云街现象。前面曾介绍对称的破缺,产生bénard对流。细胞的繁殖过程中,把混乱的材料分子,加工成极端有序的排列,双螺旋dna。这些现象的出现,似乎违反了熵增原理。

    这些有序现象(称为自组织现象)的产生条件,和热力学第二定律的前提条件不同。在自组织现象中,物质和能量都在变动,不满足熵增的基础要求。一个系统,和外部环境进行物质及能量的交换(熵也同时发生变化),当系统可维持平衡时的结构称为耗散结构。依赖环境的能量补给以及将熵释放到环境中,此时系统的熵不变或者减小。这个理论体系是由比利时人普里高津建立。从全局来看,热力学第二定律依然成立,熵减小仅在局部发生。

    地球诞生时,遍地岩浆,火山和陨石撞击时常发生。随着时间流逝,表层逐渐冷却。那时是荒芜的世界。化石记载,自38亿年前,出现原始的生命形式(同时期地球产生磁场),地球的表面地貌和大气完全由生命改变。地球生命的出现和发展历史,就是由无序变为有序最强烈形式。我们的出现就是终极逆天改命!

    思考:

    1.bénard对流出现时,分子状态总数因对流的出现而大幅度减小,系统的熵因此变低。系统的对称性突然破缺,对流的平移中心线和旋转对称轴由以前的无数个降为几个。但(!)系统的信息量急剧增加。熵、对称、信息是相互关联的,熵是系统各部分能出现的状态数量总和,对称是系统的对某种操作的不变性,信息是系统各种状态存在的可能性大小的度量,体现不同角度对系统描述的结果。混乱程度愈大,各部分愈相似,则1.不变性愈大。2.差异愈小=信息量愈小。

    2.生命的起源有多种解释。浅海、泥沼、冰湖、深海、粘土、火星(或彗星)都是可能的起源地。由于无法复制当时的情况,所有的理论都是假说,区别在于可行性大小。但可行性大小与当时的情况没有关联,因为不能重复进行多次生命起源实验来验证可行性。但也可以争论生命是多次起源的。总之,生命是出现了。从无甚关联的一些分子团,到细胞结构的出现、rna、dna,分子的组织程度突飞猛进,由无序进入到极端有序,dna记录了生物一生所有可能的生化反应(仔细观察白炽灯泡的钨丝,和dna有类似结构)。在地球上看来,是发生熵极端减小事件,太阳辐射为此事件提供能量。从太阳看来,毫末之处的浪花翻转,丝毫不影响本系统的运转,再过50亿年,再极端的事件也湮灭在太阳的末日中。唯一的期待就是涅磐。因为组成我们身体的材料都是更早恒星的遗物。

    3.具备现代意义上的城市早在公元前2000年出现在印度河下游。但是工业革命以后,才大规模出现在这个世界。乡村,类似大的分子团,在广泛的区域内存在,相应的对称性和熵都比较高。城市则更像细胞,组织齐全,具备各种功能。世界M.dAmiNGpumP.cOM
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