本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF
根据热力学第二定律,热量永远高温物体传向低温物体。也就是说,物体升温的过程和物体降温的过程在本质上是一对镜像过程,都是热量从低温物体向高温物体的传递,只是方向相反,因此才有了升温和降温两种不同的现象。可是,在日常生活中,你是否留意,其实事实并非如此。
想一想,我们在日常生活中的经历,是不是升温比降温的速度更快?把食物放在微波炉中加热,仅需三五分钟,但让一杯热水变凉可能需要半个小时。类似的例子还有很多,如果依据我们在日常生活中类似的经验总结,我们似乎可以得出这样的结论:升温比降温的速度快。
那么,问题就来了:这个经验的总结与热力学第二定律相违背。前面已经提到,根据热力学第二定律,升温和降温是一对镜像过程。也就是说,升温和降温除了方向相反之外,其他没有差别,那么怎么会有变化速度的差异呢?
升温快于降温?
近期,西班牙格拉纳达大学和德国马克思・普朗克多学科科学研究所的科学家在电场中,利用二氧化硅微球体,发现了升温和降温并不是一对镜像过程。他们研究发现,正如我们在日常生活中所经历的,升温确实快于降温。
在了解这项研究之前,我们首先要知道什么是升温,什么是降温。从微观的层面来说,升温就是给系统内单个粒子输入能量,而降温则是单个粒子释放能量。要研究升温和降温的快慢,就得对系统内的每一个单个粒子进行定量的测量。
然而,对于世间的万事万物来说,它们绝大多数都是由许许多多粒子组成的系统,要测量其中的每一个单个粒子是不可能的,因为这样的测量可以用不计其数来形容。不过,如果对单个粒子进行多次测量,比如在这项研究中科学家测量了几万次,则能最大程度地反映系统内各个单个粒子的特征。
在这项研究中,科学家使用了光镊。简单来说,就是将二氧化硅的微球体放入水中,利用激光捕获二氧化硅的单个粒子。再利用电场,调节周围的水温,进而测量单个粒子的运动情况。
他们发现,在升温时,粒子经历的微观态相比于降温时更少,自然速度更快。科学家的测量结果印证了这一点。
热力学第二定律错了?
这是不是可以说热力学第二定律错了?也不能这么说,尽管这项研究的结论证实了升温和降温是两个完全不同的过程 —— 速度不同、机制不同、路径也不同,从这个角度来说,热力学第二定律被颠覆了,但如果我们再仔细看一看热力学第二定律的表述,热力学第二定律并没有讨论热量传递的速度,只是讨论了传递方向。
对于这样的研究结论,也有科学家认为,这并不能说明热力学第二定律是错误的,而可以看作一种对热力学第二定律的补充,可以称之为“热力学第 2.5 定律”。
更大的平行宇宙
与膨胀的过程类似,暴胀也是宇宙的扩张行为,但暴胀发生在大爆炸之后不久,时间很短,膨胀的速度惊人。科学家推断,这个过程或许也可以用与平行宇宙碰撞来解释,而在当时,我们的宇宙是与一个更老、更大的母宇宙膨胀,并被其吸收了。
在这项研究中,科学家并没有详细描述与母宇宙的碰撞。另外,我们与体形并不小的婴儿宇宙碰撞,造成的破坏性也不小。这些破坏性大的碰撞还需要科学家进行深入的研究。
参考文献:
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Heating and cooling are fundamentally asymmetric and evolve along distinct pathways | Nature Physics