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对热力学第一定律和第二定律的物理解读

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:到目前为止,我们已经对热力学第一定律、第二定律做了介绍,下面做一小结,谈谈对这两个定律的看法,即用通俗的语言对它们进行物理解读。由此可见,第一类永动机和黑洞非常相似,它们之所以都不存在,原因就在于它们都违反了能量守恒规律,即热力学第一定律。热力学第一定律告诉我们任何物体都具有能量,物体在运动的过程中能量守恒,热力学第二定律则进一步告诉我们,任何物体的能量不可以达到无穷大。

到目前为止,我们已经对热力学第一定律、第二定律做了介绍,下面做一小结,谈谈对这两个定律的看法,即用通俗的语言对它们进行物理解读。

我们知道,每一个物理规律实际上都是在向自然界说“不”,对自然界进行限制,告诉人们在自然界中哪些现象是违反了自然规律,是不允许发生的。

例如,狭义相对论的规律告诉人们,在自然界中任何物体的运动速度是不可以超越光速的。

量子力学的规律告诉人们,不可能同时测准一个粒子的位置和动量。

热力学第一定律、第二定律是物理学的重要规律,那么,这两个规律对自然界提出了哪些限制呢?

我们认为,如果用通俗的语言讲,热力学第一定律告诉人们,任何物体都具有能量,物体运动过程中能量是守恒的,也就是说,在自然界中不允许出现超越物体能量上限的事情发生。对于任意一台机器来说,它对外所做的功不可能超过它的输入能量。在自然界中不存在这样的机器:不需要输入能量就可以对外做功,或者说,只需要输入很少的能量就可做出很多的功。这就是为什么制造不出来第一类永动机的原因,因为它违反了能量守恒规律。星球的引力场也具有能量,它可以把物体从远处吸引到星球的表面。但任一星球的引力场都不具有这样的能力(能量),使物体下落到星球表面时的速度大于或等于光速,因此,任一星球都没有能力对以光速运动的粒子进行约束,这就是为什么宇宙中没有黑洞,即任一星球的逃逸速度一定要小于光速的原因。

由此可见,第一类永动机和黑洞非常相似,它们之所以都不存在,原因就在于它们都违反了能量守恒规律,即热力学第一定律。

热力学第一定律告诉我们任何物体都具有能量,物体在运动的过程中能量守恒,热力学第二定律则进一步告诉我们,任何物体的能量不可以达到无穷大。

如果一个物体的内能,即温度等于无穷大,我们就可以利用这个物体作为高温热源,制造出第二类永动机,这显然违反了热力学第二定律。从能量相互转化的角度看,物体的内能不等于无穷大,那么,任意物体的动能,以及物体的速度也不可以等于无穷大,因为,动能可以全部转化为热能,如果一个物体的动能为无穷大,那么,动能全部转化为内能时,内能也会无穷大,这就违反了热力学第二定律。

由于物体的内能和动能都不能等于无穷大,由此我们又得出,任意物体的能量不可以等于无穷大。爱因斯坦相对论的质能公式告诉我们,质量和能量之间存在着等价关系,由物体的能量不能等于无穷大,我们可以进一步得出,任意物体的质量,以及密度等物理量也不可以等于无穷大。

总之,物理学不接受无穷大,这是物理学家普遍认同的一个观点,只要物理理论得出无穷大的结果,通常人们都会认为,这个理论有问题,或这是一件在物理世界中不可能发生的事情。

例如,在黑体辐射的瑞利-金斯公式中出现了无穷大的结果,这就是历史上著名的“紫外灾难”,普朗克由此断定瑞利-金斯的公式有问题,正是在对“紫外灾难”的研究中,普朗克创立了量子理论。

在爱因斯坦狭义相对论中有一个公式,即相对论的质量公式:

从这个公式不难看出,当速度u等于光速时,质量就会等于无穷大,爱因斯坦由此得出,任意物体在运动时,其速度不能等于光速。

然而,爱因斯坦广义相对论建立后,人们很快发现在广义相对论中存在奇点,即存在着无穷大的结果。为什么广义相对论中会出现奇点呢?这个问题一直困扰着物理学家,于是,他们把这一问题称为广义相对论的“奇点困惑”。

在广义相对论的奇点中,施瓦西奇点是最先被发现、最为著名的奇点。1916年,爱因斯坦广义相对论刚建立,施瓦西便求出了爱因斯坦场方程的一个解析解,即施瓦西解,在这个解中包含了一个无穷大的结果,当时称为施瓦西奇点,也就是今天所说的施瓦西黑洞。这个结果表明,如果施瓦西黑洞存在,在物理时空中必然会出现无穷大的结果。

既然,物理理论中不应该出现无穷大,而广义相对论偏偏推导出了奇点,这个结果预示了在爱因斯坦的理论中一定存在错误,那么,爱因斯坦相对论错在哪里呢?

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