热力学定律与科学理论的方法

志勰


    热力学第二定律的建立与能量守恒定律的建立有一定的渊源,它是在能量守恒定律建立之后,在探讨热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。

    自能量守恒定律建立之后,大概在十九世纪五十年代左右克劳修斯和开尔文几乎同时发现热力学第二定律,他们把能量守恒定律在热力学的应用当作热力学第一定律。热力学第二定律同热力学第一定律一样也是同时有多人几乎在同一个时期同时发现的。比较有代表性的有如下几种描述方式:

        不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。(克劳修斯 1850)

        不可能从单一热源吸取热量,使之完全变成有用功而不产生其它影响。(威廉.汤姆生)

                 不可能制造第二类永动机(普朗克)

         孤立系统中实际发生的过程总要使系统的熵增加。

         如上几种方法所描述的一个事实是:一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
                                                             《简明物理学辞典》

    如上的这几种表示形式在现今看来,是很平常不过了。但在当时的时代却远非今天这样容易理解。这是因为在一百多年以前,人们对永动机的努力不能使其制造成功。人们不能理解热量和作功产生热量的具体关系,当然既使到现在即使在科学界有相当一部分人们仍然把它当作一种想当然的东西来理解,对做工和热量间确切的转化途径不是很清楚。(关于摩擦生热和热机热能和动能间的转化途径,在机械运动的能量体系中有这方面的尝试,您可参见本站中机械运动的能量体系中的内容)

     众所周知,能量守恒定律和热力学定律的创生的时代,也是热学创生的时代。从人们对热的看法上,正是从热质学说到热的唯象学说到热的唯动学说逐渐过渡的时期。同时,也是由定性逐渐到定量使其科学的过渡。对于热的描述,人们在使其逐渐的由定性到数理逻辑到试验的对应,这一时期,从科学方法上人们已经开始对物质世界中不同能量间的关系进行定量,从机械运动领域到电学领域、光学领域、从宏观到微观等科学的个个领域,都获得了前所未有的发展。但是,值得一提的是,此一段时间的科学方法趋向与试验与数理逻辑的对应,采用试验作为检验数理逻辑的唯一标准,这样的方法一直坚持到现今的科学判定上。这得自于这种科学方法使人们对物质世界的认识获得了非常巨大的进展。我们现有的一些科学观念也来源于此,如能量守恒定律,甚至量子学科中的大部分概念等。总之,近代物理的科学方法对现代物理的影响是非常巨大的。

     科学对于物质世界的认识存在这样两种观念,一种观念是人类对物质世界运动变化规律的应用。这样的前提是人类生活中物质生产的发展,这样可以开拓人类创造财富的能力,这是导致近代科学发展的最直接的动力。另一种观念是人类对物质世界本身的认识,强调物质世界的本体,强调人们对物质世界的真实的理解,即以物质世界为真的前提。两种科学概念都会导致人类对物质世界的开拓,但是,在某种意义上来说,前者比后者更易被人们接受。两者对物质世界的本意是相同的,后者比前者更易使科学获得发展。

     热力学定律无疑是前者,当然,包括热力学三定律。热力学第一定律和能量守恒定律在对物理规律的描述上,两者具有等效性。热力学第二定律实际上所描述的是大量的微观粒子趋向于无序的描述。这样一个过程的发生从任何一个角度来说,都不会是一个可逆的过程。这样一个规律在人类理解物质世界的过程中到底起过什么样的作用呢,我想,这样一个描述过程并不能给与我们对微观物质世界的理解提过更进一步的东西。它的意义除了提供给我们一种数理关系所描述的状态之外,并不能提供给我们什么。如比较有代表性的“宇宙的热寂说”我们依据普通的物质原理的推测,仍然会得到相类似的结论。如对宇宙天体的观测。但是,物质世界的存在在宏观上并不以人类的决定而发生改变。我们所得到的结论对于物质世界而言也许是暂时的一个小小的规律,我们所接触的宇宙是很有限的。

     将某种规律进行扩展成了近代物理学科学发展的普遍现象,有代表意义的如:相对论、量子论,当然热力学定律也是非常有代表意义的一个。对这样一种科学的发展模式,我个人并不持乐观态度,尽管作为一种科学尝试是无可非议的,一些理论也获得了非常巨大的成功,甚至一些理论已经成为当今对科学发展认识的主流。

     建立某种数理逻辑对整体的科学进行统一的解释,二十世纪科学的发展经历了很多这样的尝试,提到科学台面上的解释就有不少如宇宙玄理论、夸克理论等等,在建立这样理论的同时,我想尝试者们是否考虑过从物理学的基本概念着手,如果物理世界是统一的话,那么任何一个物理概念都和物质世界的本身存在千丝万缕的联系,物理概念本身的逻辑就是物质世界的原理。除非物质世界不是统一的。那么,我们也无须化费太大的精力去建立统一的理论。

     我个人认为,现代物理基本概念的定义体系存在问题。主要是能量的定义所导致的对物理其它概念的定义。基于这样一种定义在对物理其它概念的外延上,尤其是才有数理逻辑作为科学探索的工具,科学所向前延伸的不是物质世界的本体,而是建立在某种数理逻辑上的以数理逻辑为主体的物理关系。这样的对物质世界的理解不是物理的本身。

   另外,对于热力学定律我想在提一下,能量本身概念的错误直接导致热力学第二定律没有任何意义,同时热力学第三定律所描述的仅仅是物质的某种状态不能达到。如果由于能量的定义而导致温度的定义本身存在失误,那么热力学第三定律所描述的也不具有任何意义。(对此,您可以参见最近更新中4.6日中温度的概念)热力学第一定律我就不用再说了,本站建立最初三个月的时间里所放的观点都是说明此一问题的。

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                                                                   2000.4.22