熱力學熵的悖論問題?絕對均勻到底是有序還是無序。

1.熵增理論認為,世界的發展是從有序到無序的,所以熵=無序=不確定性。

2.熵增理論又認為,世界的發展最終是熱寂的,這時世界極度均勻,沒有任何溫差。

3.那麼問題來了,極度均勻不是有序嗎?極度均勻和無序不是在互相矛盾嗎?這個問題困擾我很久了,望解答。


熵是描述系統宏觀狀態對應可能微觀狀態數的物理量,熵增表示系統最終向著熵最大的宏觀狀態,也即可能的微觀狀態數最多的宏觀狀態演化。

如果我們不對系統做任何限制,原則上系統可以有無限多種微觀狀態;如果我們增加一條限制:壓強(宏觀狀態參量)取定值,那麼可能的微觀狀態就少一些;進一步我們要求壓強和溫度都取定值,可能的微觀狀態就更少一些。隨著增加的限制越來越多,可能的微觀狀態就越來越少。如果我們把增加的限制稱為「序」,那麼沒有任何限制的狀態就是「無序」,而限制更強的狀態就是「有序」。

從這個意義上來講,系統向「微觀狀態數最多」的狀態演化,也就是向限制最弱的狀態演化,即向無序演化。

如果系統處在不均勻的平衡狀態下,由於時間空間都是均勻各向同性的,所以我們只能認為是空間時間之外的東西使得系統不均勻,從而這個系統不孤立;換句話說,這時間空間以外的東西對這個系統施加了限制,從而不是最無序的狀態,因此均勻與無序並不矛盾,反而是均勻和有序矛盾,因為加了限制往往會不均勻。


宏觀上的無溫差對應微觀上的混亂度最大。


觀測系統的時候所面對的結果的混亂 不正是 不同的微觀狀態上的概率分布均勻 么?

就拿個跟物理沒關係的簡單例子來說好了:你玩一個遊戲,這有台以確定概率分布隨機出牌的機器,出來的牌面只有0和1兩種,這兩種狀態出現的概率分別是p和1-p。你現在要和人打賭,猜對了牌面就贏,你所知道的是兩種牌面出現的概率分布。

這個遊戲里,什麼是「有序」,什麼是「無序」/「混亂」?

若系統以1的概率處於1或0,則我們對這個結果非常確定,不需要看,就知道狀態是什麼;

若系統以更高的概率處於1,則你必定押1,反之則押0;

若系統以各1/2的概率處於1或0,則我們對結果完全不確定,不管賭哪個,你的心裡同樣沒底兒,此時你對遊戲結果的期望就叫做完全的「混亂」、「無序」。

用香農信息熵-sum{plnp}來定義系統的熵。什麼時候「最混亂」即什麼時候熵最大,也即什麼時候最無序?很顯然是p=1/2,也即取0或1的概率分布均勻的時候。

那麼對於一團理想氣體來說,這個「均勻」指的就是氣體分子的速度方向在統計上沒有任何偏向性,這個分子所處的空間位置在統計上也沒有任何的偏向性,不同的氣體分子速度大小的概率分布也沒有任何的不同。

2.熵增理論又認為,世界的發展最終是熱寂的,這時世界極度均勻,沒有任何溫差。

請注意熵增只適用於孤立系統,宇宙因為暗能量和引力都在作用,所以能量無法守恆,而且一直在膨脹,這樣就不是平衡態,熱寂說目前並未被公認。還有「溫差」這詞不嚴謹,如果你用熱力學對宇宙作為一個整體進行描述,那麼這裡所描述的對象是一個系統。理論上來說一個系統的溫度只能定義在熱力學平衡態。


你媽媽讓你整理房間,你應該把垃圾掃到一處,還是把垃圾儘可能均勻撒滿整個房間?

你媽媽讓你追求的是有序還是無序?


謝邀。

我用相變理論來作個解釋。假設我們有一個鐵磁(ferromagnet)系統,無序態的時候,平均場理論給的是mathbf{M} = 0,意思就是說系統的磁偶的方向是平均分布在任何方向;而有序態(旋轉對稱自法破缺)則有一個方向(而理論沒有規定是那一個方向)。

在無序態中,熵值是最大的,因為-sum p log p中的每一項的p都是相等的;在有序態中,因為給了限定,-sum p log p則比無序態少得多(不過那仍然是該系統下的最大值)。


絕對均勻的狀態數是最多的,只不過每個狀態都太沒特色了,看起來差不多。


一鍋子裡裝了綠豆紅豆混在一起,均勻攪拌,拍一照片,再攪拌,再拍照,看不出差異,可以拍一億張照片都一樣。

若有閒人算出第一張照片裏每顆豆子的座標,要挑出座標完全一樣,誤差不得超過0.01公分的照片,只剩兩三張。

這個座標數據如此獨特,何者可亂仿我。

又有閒人指定每顆紅豆旁都要配綠豆,這才叫均勻,他才要拍照,幫他配好了,拍一張,他說換個位置再拍一張,我去,你自己拍吧,就這一張,不要拉倒。

這均勻如此獨特,何者可亂仿我。

所以容許一點照像誤差,容許一點鄰豆誤差的拍照,這樣的照片你拍3萬5千張都很像同一張,取一張當代表就好。3萬5千這數目叫做這代表照的…容數…

代表照的容數越高,表示它後面的紅豆可以擺鄰近各位置,可以散漫些,就稱做無秩序。

代表照的容數越低,表示它後面的紅豆只能固定位置,不能散漫,就稱做有秩序。

如果規定紅豆旁邊一定要配綠豆,這麼嚴格,誰也不能換位置,這叫超級有秩序。

所以嚴格的絕對均勻,叫做超級有序。

而散漫的容差均勻,是容許偏差,是可以散漫,叫做無秩序。

水潑入地,隨意蒸發,香燒成灰,隨意揚棄,你不規定要飄去哪,就隨意飄,這是散漫的容差均勻,叫做無序。水如此,香如此,大地如此,可能宇宙也如此吧。

容數取LOG (對數) 叫做熵。 熵這個字的定義很間接,是古人看不到原子前留下來的,現代實驗者討論微小現象,直接用顯微鏡看,不是很直接嗎。你問紅豆什麼是熵,悖論,絕對,均勻,有序,無序。它說,沒聽過呀(手動攤手)

然而紅豆不能彰顯微物之妙,因為紅豆靜靜不會跑,小分子混合物,每一顆都跑來跑去,剛拍一張照,它們又換位置了,你看到的它們已不是剛剛的它們,你看到的它們只是眾多換過位置的一瞬間,你最常看到的照片一定是容數最多的代表照。

有什麼會影響這一大群分子的代表照,有啊,晴天陰天啊,吃飽肚餓啊,生病生氣啊,坐車走路啊,拍到的照都不一樣。

換水分子說話,我本是蒸氣均勻分佈,是誰抽去我能量,使我不能均勻分佈,凡是拍照,氣旁必有水,水旁必有氣,這不是均勻分佈,卻是我們最妥協的分佈。

換水說話,我本是汪洋均勻分佈,是誰抽去我能量,使我不能均勻分佈,現在水旁必有冰,冰旁必有水,這不是均勻分佈,卻是我們最常秀照的分佈。


你這是把「複雜度高低」跟「有序無序」混淆了。極度均勻不是有序,而是複雜度低。

你可以去看看分鐘物理的這一期視頻:【大圖景系列之三】複雜性從何而來? ,裡面就講了「無序」與「複雜」的區別。

無序性用熵來衡量。熵表示的是一堆東西可以有多少種不同的排列組合方式,可能的組合方式越多,熵就越高,也就是越無序。詳細解釋請看視頻中咖啡牛奶的例子。

複雜性表示的是描述一團東西的困難程度,描述這團東西所需的信息越多,它的複雜度就越高。

無序度上升的時候,複雜度並不是一直上升的,也不是一直下降的。極度有序和極度無序都容易描述,因此複雜度都比較低。正是這一點導致你誤認為極度均勻是「有序的」,但其實你描述的並不是有序,而是複雜度低。


熵 = 無序 = 不確定性,這種說法是不對的。熵從統計熱力學角度來考慮,其實就是宏觀狀態的多樣性。可以簡單理解為權重。一個系統達到平衡態時,並不是混亂無序的排布,而是滿足玻爾茲曼分布,其實就是指數分布。

熱寂說是平衡態熱力學的「反面」。如果把地球當成一個孤立系統,按照平衡態熱力學,最終是極度均勻的。但是實際問題是需要考慮空間範圍和時間長度的問題。這就與熱力學第二定律的基本假設有關。

建議讀讀非平衡態熱力學和局域平衡態熱力學相關書籍。


假設你有兩堆球,紅色和白色。 一開始他們的是分開的。 這個時候是有序的。 然後你把他們混一起,這樣就是無序了。


我認為題主之所以會產生這樣的疑問,主要是沒有以統計學的視角來看待這個問題。

根據熵的公式我們知道,熵等於在系統所有可能狀態範圍內內,對狀態i發生的概率p和-log p的乘積求和。也可以將系統分解為若干子系統的聯合概率分布,當以微觀粒子的視角時,系統的宏觀狀態由大量粒子的聯合概率分布確定。

從統計學的視角,系統的不確定性越高,系統越無序,也就是越難以預測。那麼不確定性最高的情況即是系統各因子為相互獨立的均勻分布隨機變數。

總而言之,統計力學的本意實際是用微觀粒子(大量)的統計規律來描述宏觀現象,溫度均勻是宏觀現象,這並非「無序」的所指,無序指的是大量微觀粒子的統計意義上的不可預測性。


謝邀。

看這個例子:盒子的左半邊有空氣,右半邊真空,中間有隔板,在第0秒,隔板抽開,左邊的空氣開始進入右邊,在第3秒,兩邊的空氣分子基本均勻,這個過程是一個典型的熵增過程。如果在第3秒時,各空氣分子的運動反轉,那麼,從微觀的分子運動來說,在第6秒時,空氣會全部集中到盒子左半邊,右半邊變成真空。

對於上面第3到6秒的過程,有2種解釋:一是認為第3秒反轉後,空氣分子是有序的,所以才會出現第6秒時的有序狀態;二是認為第3秒反轉後,空氣分子是無序的,熵增原理在這時出現了小概率的不適用的情況,這時發生了熵減。

2種解釋中,前一種實際上將有序無序的判斷變成一種主觀的判斷,全部粒子反轉前是無序,反轉後變成有序,失去了客觀標準,後來發現熵與系統狀態數的關係,更否定了這種解釋。而後一種解釋意味著熵增原理只是一個統計學意義上的理論,不是嚴格100%成立的,存在小概率的熵減,甚至可能是大幅減少。

感覺上,題主對熵增原理的理解接近第1種解釋。


我今天思考了一個下午,應該是序,這個詞的概念混亂導致的。

沒有溫差,一片均勻,看起來有序,這個序是序的概念一。

從有序到無序這個概念也是從宏觀上定義的,這裡的意思是說,宏觀有序的最終結果是宏觀無序,這裡序是序的概念二。

概念一和概念二的定義方式完全不同。

還有微觀定義。對單個粒子而言,熱寂狀態下的粒子,他的序是無序運動,是從微觀角度而言的,但是其實非熱寂條件下的粒子,他的運動規則其實是比熱寂條件下更加無序的(能級範圍更大)。

MD,耗散理論當時誰翻譯的,序這個詞概念太不精確了。


無序到了極致,就是平衡,是熱寂,是絕對的均勻,就變成了有序。

同樣,有序到了極致,應該就會變成絕對的混亂無序,比如宇宙大爆炸?這不就是正好完成了宇宙時間上的循環了么?

當然這是我猜的,因為無序的極致變成有序我還能想像能理解這過程,至於有序到極致變成無序是怎麼回事我都沒法想像,這應該是人本身的想像力限制,人不能想像完全沒見過的東西。我們生活在一個熵增宇宙,所以能想像自發熵增,而有序不斷增加那是自發熵減,這是現實沒人見過的東西,完全無法想像


推薦閱讀:

既然引力是空間彎曲導致的,那磁力也是一樣的嗎?
速度的累加為何不能超光速?
如果三維是點、平面、空間,第四維就是時間,第五維會是什麼?第六維呢?
閃電俠中的神速力方程是什麼?
怎樣在進入大學前自學一部分的高等數學和理論物理?

TAG: | 物理學 | 理論物理 | 熱力學 |