熱動力學第二定律與時間

有沒有時光隧道？經典物理學認為時光隧道不存在．有人會誤以為相對論說時光隧道是有可能的．但這其實祗是對相對論的誤解而已．但到量子物理學的領域，這個便不好說，或我應簡單的承認，我對量子物理學的修為有限，所以不敢說．

今次，我祗集中從經典物理學去討論一下時間問題．暫不說時光隧道，現先從預測未來說起，理論上，牛頓的力學是可以預測未來的．因為，牛頓力學的公式全部都是確定性的(deterministic)，祗要清楚知道加於一個質點的力，質點的質量，現時的速度和位置，我們便可準確預計質點十秒以至十年後的位置．生物的細胞活動，包括我們的腦細胞，理應可由牛頓力學公式來抽述，於是就連我們的思想，祗要我們有足夠快的電腦和足夠複雜的物理模型，一樣可以預計得到．

但這立刻引起嚴重的哲學問題，難道我們就是宿命的嗎？我直接的說，其實未來是不可測的！科學家至少找出了七件東西，可以證明未來不可測，今次，我就祗集中討論熱動力學第二定律．

上次我經已提過熱動力學第二定律(下文我會簡稱為第二定律)，但我避開了一個重要概念：熵(entropy)．熵就是物理學用來量度‘混亂’的參數．一個系統的熵越高便越‘混亂’．舉一個非熱力學的例子，如下面兩句

Mary is going to school.

Yjkbqsjujmqedfctkpfkdf

上面的一句對懂英文的人來說，一點也不亂，但下面一句就非常‘混亂’．所以，下面句子的‘熵’比上面的句子高！

在物理系統內，越熱的系統的熵便越高．溫度其實就是份子無序的運動．溫度越高份子的無序運動就越強烈．百多年前科學家Brown，把花粉放在水面上，然後通過顯微鏡觀察，他發現花粉會出現不規則的運動．一個合理的解釋是水份子就是不停地作不規則運動，也不停地撞擊花粉，由於這些運動是高度隨機的，所以會出現不平衝的現象，那麼花粉也會以不規則的方式運動．這便是著名的Brownian Motion.

但作天我曾說過，第二定律就是說明了在每次能量轉換的過程，能量都不能完全轉換，而必會產生一點熱．這亦即是說，我們的熵在增加，或可以說宇宙是越來越亂！

吓！越來越亂！不是嗎？世界不是應越來越有序的嗎？首先，我在說科學，不是說政治，政治上是越來越亂，還是越來越有序，並不在我的討論範圍．科學上，我就絶對可以肯定宇宙是越來越亂的！你可以想像一下，若你把一叠文件放在桌上，不加看管，一個月後回來，你想會怎樣呢？很大機會，文件散落到地上，亂作一團！相反，你可以想像大風吹，而把地上亂作一團的文件‘吹’回桌上，叠得整整齊齊嗎？

‘序’是要靠能量來生成的！但當我們生成了一定數量的‘序’也必然生成更大量的‘亂’，宇宙始終都是走向‘亂’．

舉一個例子，使用超級電腦，我們可以在某程度上預測天氣，預測天氣便是在產生‘序’，理論上，若我們的電腦夠快，容量夠大，我們便可以作更準確的預測，那我們便不是可以無限量的‘製造’‘序’嗎？那不是推翻了第二定律嗎？

錯！錯在那裏！有些類似我上次說冷氣機並沒有‘製冷’一樣，單看室內，溫度當然是下降了．但從整個宇宙看，冷氣機實在是‘發熱’．同樣，電腦可能可以頗為準確地預測某時某地的天氣，但它也同時產生熱，這些熱的‘亂’必會比預測的‘序’高，所以，超級電腦的使用在整體來說，必然是提升‘亂’！

未來是不可測的！或更準確的說，我們可以局部預測未來，但要付出令整體更‘混亂’的代價！

宇宙會走向混亂便是時間的指標！

偱環

有一次，我聽到電台有個phone-in，他說：“環保人士要人調高冷氣的溫度，知不知道這樣會很不舒服，其實，整天叫人少用甚麼少用甚麼，你看我們不是用糞便來耕種的嗎？既然糞便也可以變回有用的東西，為甚麼科學家不努力一點，把所有東西都重用，就不需要叫我們慳這個慳那個！”

我忘了主持是甚麼人，好像是甚麼地理學博士．但面對這個問題，他真是無能為力．對phone-in的人，批評是不太公道的，反正他祗是表達意見而已，但對主持人的不知所謂，我倒有點意見，但最後，都祗可以說是香港科學教育的失敗，就是一些應在初中弄清楚的概念，拿了博士後還是一知半解！

我讀小學時便留意到，把水電解後便可以得到氫和氧，把氫和氧燃燒後便可以產生大量能量．當時，正閙石油危機，我以為找到了解決能源問題的靈丹妙藥．但這祗令我自我沉醉了幾天，接著，在比較深入研究和思考後，我便發現原來電解水所需的能量就等如把得出的氫氧燃燒所產生的能量．但由於技術和種種後文將會提到的原因，這樣做一定會‘蝕本’的．我並無解決，而是加重了能源問題！

這就是經典物理學的重要概念：‘能量守恒’．這就是說我們不能‘製造’也不能‘消滅’能量，能量祗可以由一種形式，轉化到另一種形式而已！就以上述氫氧燃燒的例子，在燃燒時便由‘化學能’轉換成‘熱能’．但我們並無‘製造’出能量，若水要變回氫氧，就必需吸收同等的能量！

那麼，我們每天所用的能源又來自那裏．答案就是太陽．暫時請不要再問太陽的能量又來自那裏，以後有機會再討論這個問題．事實上，我們所吃所用的都是來自太陽．光合作用便是大自然吸收‘太陽能’的方法．這也是食物鏈的第一環．不要以為你吃肉就沒有使用這些太陽能．例如你食牛肉，牛又是吃甚麼的呢？你可以說，我們是用石油發電的，難道這又和太陽能有關．正是，環保界有一本很著名的書‘古老陽光的末日’，她說的‘古老陽光’就是‘石油’(或更廣泛的說是化石燃料fossil fuel，還包括煤，天然氣等等......)．‘石油’就是千億萬年前的動植物！就是‘古老陽光’！

相比‘能量守恒’，熱動力學第二定律就更加難明．上文說過我們吃牛肉，其實也是在吃‘太陽能’，但同樣是‘太陽能’吃動物和植物就非常不一樣了！可以想像，牛需要吃多少草，才可以長大到可以運到屠房呢？熱動力學第二定律簡單來說就是說明每次能量轉換都會有損失，在自然界，每轉換一次，就至少有八成能量的損失．這也是說，若你食肉，最多你亦祗可以用到4%的太陽能！

是不是打錯字，明明是20%，為甚麼會是4%呢？光合作用祗可以把不多於20%的太陽能轉化為有用的能量．而假設牛直接食草，但轉化效率也不能高於20%，兩折後再兩折，就是4%．其實，這是上限，祗出現於非常理想的情況，實際情況損失就更大，可能連1%也沒有！

等等，能量守恒不是說明了能量不生不滅的嗎？熱動力學第二定律不就是違反‘能量守恒’嗎？非也，第二定律不是說能量會消滅，而是說能量不能完全轉化成有用的模式．例如，蒸氣機是把化學能轉化成動能，轉換效率不超過20%，那麼80%的能量那裏去了？大部份變成了‘熱’，你可以想像蒸氣機運作時是何等的熱！熱便是一種無序的能量模式，我們就是不可把‘熱能’完全轉回‘有序的能量’．相反，差不多任何能量轉換過程，都不免產生一點熱．你正在用來看本文的電腦，也不是一直在產生熱嗎？

冷氣機其實沒有‘製冷’，它祗是用能量令溫度出現違返自然的流動而已．所以，在一端冷的同時，必然是另一端變得更熱．而且熱的一端比冷的一端的溫度差異更大，原因是冷氣機一直用電，即一直輸入能量，這些能量又變了甚麼，沒錯，就是‘熱’！若你把冷氣機完全放在室內，它就是一部‘製熱機’因為它發出的‘熱’必然高於它發出的‘冷’！冷氣機的設計就是把冷氣留給自己，把‘熱’交給其他人而已！

第二定律亦是時間的指標，有機會再討論吧！