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天下文化首頁 主題 想看懂電影《天能》中物理觀點?逆轉未來的關鍵?你得先搞清楚「熵」究竟是什麼!
科學自然

發表日期

2020.09.17
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文章摘錄自

觀念物理3
大家都知道,物質是由原子所構成,但你知道所有的原子皆可以回收再利用?今天你呼吸吐出的原子,他日可能會...
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想看懂電影《天能》中物理觀點?逆轉未來的關鍵?你得先搞清楚「熵」究竟是什麼!



圖片來源:Unsplash

編按:電影《天能》中諾蘭導演在劇情中帶入物理學觀念,顛覆了大眾對世界的想像,尤其片中提到,主角能將未來逆轉的關鍵竟是「熵」,到底「熵」代表什麼?

以下為《觀念物理3》中,摘自物理教學專業家休伊特的精闢解析:

有序能量會轉變成無序能量,由這個自然趨向之觀察加以具體化後,得到的概念就是「熵」。熵可以用一個數學等式來表示,此等式是說,在理想熱力學系統內,熵的增加Δ S ,恆等於系統內熱量的增加ΔQ除以系統內的溫度T。

亦即ΔS =ΔQ/T。

熵是該系統混亂程度的計量指標,混亂程度增高,熵就增加。所以第二定律也可演繹成:長時間的自然過程中,熵永遠是在不斷地增長。從瓶子內逃逸出去的氣體分子,是從比較有序的狀態改變為較混亂的狀態。組織周全的結構,時間一久,會漸漸變得雜亂無章。

好好的東西,自己會逐漸分崩離析。只要讓物質系統自由地分派自己的能量,系統內的變化趨勢永遠是朝著熵升高的方向進行,而系統中可用來做功的能量,會愈來愈少。

在物質系統中,熵通常都在自動增加。但是如果有功輸入,就像生物體內,熵會減低。一切生物,包括細菌、樹,到人類,都從它們的周遭環境中提取能量,並且用它來增強它們本身的有機組織。這種生命形態的秩序,卻依靠著其他方面熵的增加來維繫。

所以雖然單獨看生物體內,熵在降低,但若跟它製造出的廢棄物一起來算,則總共熵的淨值,仍然是在不斷增加。活著的系統,必須繼續從外獲取能量才能維持生命。一旦停止提取,生物就會很快死亡,然後又回到分解、混合之途。

有件軼事,趁此順便與讀者分享。熱力學第二定律被提出後,立刻成為熱門的科學話題,美國名作家愛默生(Ralph Waldo Emerson, 1803-1882)則從哲學角度對此發表評論,他說並非每件事物都一定得隨著時間愈變愈亂。

以人的思維為例,他認為有史以來,經過世代傳承,人們對世間一切事物性質的認知,反倒是愈來愈透徹細緻、愈來愈有組織。所以人的思維是朝更有秩序的方向演進的。

熱力學第一定律是個自然界中無所不包的通用律,完全沒有例外。但是第二定律則只是個機率的表述。只要等候的時間夠長,再怎麼不可能發生的情況,還是有機會出現。

直接說來,熵確實有可能在一些情況下自然降低。譬如在房裡一角亂動的空氣分子,可能在某一瞬間剛好排列得整整齊齊;就像我們把大把一元硬幣撒地上,而全數硬幣剛好都是人頭朝上。這樣的情況,不是完全不可能發生,而是發生的機率太小。

第二定律所告訴我們的,是事情發展最有可能的趨向,而不是唯一的選擇。有人拿熱力學定律開玩笑,他說你不但贏不了(因為從任何系統內,你絕對無法取出比你放進去更多的能量),也別想保本(因為你所能取出的能量,只會比你放進去的少),還不能不賭下去(宇宙間的熵一直增加,由不得你來叫停)!

【書籍資訊】
《觀念物理3》

觀念物理3

出版日期:2018.06.29

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