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The long road of physics

2020/10/1 — 11:47

Tenet 劇照

Tenet 劇照

電影<天能>(Tenet) 說及時間逆行,回到過去,即是逆熵。

熵的概念是德國物理學家克勞修斯 (Rudolf Clausius, 1822-88) 於 1865 年提出。與其他守恒定律 (如質量、能量) 不同,熵是隨時間而增加的。

熵的概念始於 1860 年代,概念比較抽象。它之前,有質量、能量這些概念。本文談質量和能量概念發展的歷史,以及質量守恒 (即物質不滅) 和能量守恒兩個定律,如何成立。

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首先,質量 (mass) 守恒。古希臘時代,即二千多年前,已有哲學家提及,物質是由持久不變、不可分割的原子組成。然而,說到要求觀測量度的現代科學,要到十八世紀,才由俄國的羅蒙諾索夫 (Mikhail Lomonosov, 1711-65),和「現代化學之父」法國的拉瓦錫 (Antoine Lavoisier, 1743-94),分別以實驗證明, 一些物質因燃燒而重量增加,是因為多了氧 (氧化過程) 。將氧的重量算進,結果是質量始終沒變。到1803年英國科學家道爾頓 (John Dalton, 1766-1844) 總其成,提出原子理論時,質量守恒定律已廣被接受。

跟著便是能量 (energy) 守恒。與質量不同,能量難以捉摸。能量的概念,與移動 (motion) 有關,始自牛頓 (Isaac Newton, 1643-1727) 1687 年的<自然哲學的數學原理>(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica )。牛頓明白能量須守恒,但並不重視。要靠同輩法國的萊布尼茨 (Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646-1716) 再三強調概念的重要。到 1847 年,德國科學家亥姆霍茲 (Hermann von Helmholtz, 1821-94) 發現,若撇除磨擦力,動能 (kinetic energy) 加上勢能 (potential energy) 總量不變。期間,英國的湯普森 (Benjamin Thompson, 1753-1814) 於 1798 年報告,動能可轉化成熱能(heat energy)。1843 年,英國的焦耳 (James Prescott Joule, 1818-89) 又能夠精確量度電能(electrical energy) 轉成熱能的過程。至 1840 年代末,英國的焦耳,與亥姆霍茲及另一德國科學家,卒之訂立能量守恒定律 --- 即如果將所有不同形式的能量計算在內,其總能量始終保持不變。

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由質量守恒定律成立,到能量守恒定律成立,相隔了不少年月。可見,由能量概念開始,到能量如何量度,如何將不同形式的能量相互轉化並總其成,最後得出定律,過程輾轉,並不是一條直路。

當然,故事並不到此為止。又半世紀,1905年出現戲劇性大變 — 愛因斯坦 (Albert Einstein ) 發表了兩篇論文。第一篇關乎狹義相對論 (special relativity) 的基礎; 第二篇則短短三頁紙,導出如今世界知名的 E = mc2 (squared),其中 E 代表能量,m 是質量,c2 是光速二次方。由於光速是常數,此方程式實際上指出能量和質量其實是對等的,即能量和質量可互換。(我們會聯想到,核子彈內的鈾,分裂過程中只有 0.1% 質量轉為能量,但破壞力驚人。往好一點想,核能於許多地方包括香港有其生活上的重要性;而用之不竭的太陽能是由核聚變產生的,中間也牽涉質量轉為能量。)

於是質量守恒與能量守恒不再是兩條定律,而是已合而為一的質量/能量守恒定律。我們簡稱之為「能量守恒」。

回顧一下,由質量守恒成立 (約十八世紀中) ,到能量守恒成立 (十九世紀中),需時一個世紀。主要原因,是能量比較質量難捉摸。而由能量守恒到愛因斯坦的狹義相對論(二十世紀初),需時半個世紀。

我們學習物理,可能是同一課,課本上寥寥一兩頁,便已帶過。未必知道事情背後,其實內裡包含多少挫敗,也不知道花了多少人的時間和心血。

(影像來源:Wikipedia)

(影像來源:Wikipedia)

愛因斯坦其後發表廣義相對論 (1915年) ,該理論通過了不少的觀測和實驗。在這基礎上,科學家們利用熱力學、太空觀測數據、高能物理學等知識,推論出宇宙的壽命約138 億年。而在觀測數據支持下,亦知道宇宙由混沌漸變為清晰通透,是盤古開天後約三十萬年的事。更奇妙的是,科學家已經能夠推論所謂「大爆炸」後一秒內,原來可以發生不少事情!

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