第三類永動(dòng)機(jī)

第三類永動(dòng)機(jī)別萊利曼在《趣味物理學(xué)》中寫了不少關(guān)于永動(dòng)機(jī)的故事.有一個(gè)人生城建成了永動(dòng)機(jī),呼吁專家去鑒定.后來真的去了一伙人參觀，那人抬出來一個(gè)看起來挺復(fù)雜的裝置，費(fèi)了幾個(gè)牛的力氣,把機(jī)器發(fā)動(dòng)起來.遺憾的是，只轉(zhuǎn)了一小會(huì)兒,就停了下來。那人接著折騰，折騰到最后，很不好意思地對大家說：它總是發(fā)脾氣。（別萊利曼，1979)第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)永動(dòng)機(jī)是人類的一個(gè)夢想,而且是建立在科學(xué)之上的夢想-—雖然現(xiàn)在被看成是偽科學(xué)了-—因?yàn)樗械挠绖?dòng)機(jī)探索者在涉及他們的機(jī)器時(shí)，依據(jù)的都是某種科學(xué)的原理，而不是神秘的超自然力。最初，這些科學(xué)愛好者是想造出“東東1”：一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自循環(huán),并且在每一次的循環(huán)中，除了產(chǎn)生維持其自身運(yùn)轉(zhuǎn)的能量,還多少有點(diǎn)富裕。這樣,就可以源源不斷地向系統(tǒng)之外輸出能量,不光是人，那些大牲口，什么騾子啊，馬啊，都可以歇歇了。這個(gè)東東將給野外科考隊(duì)員提供極大的方便,無論走到哪里，帳篷支起來,把東東1一架，所有的燈都亮了,比電池方便多了，而且環(huán)保。當(dāng)然了，在家也可以用啊,無論是水電站還是核電站,都不用建了！夢想固然很好，不過，已經(jīng)創(chuàng)造了很多奇跡的科學(xué)，這回不靈了。永動(dòng)機(jī)愛好者幾乎嘗試了所有的科學(xué)的現(xiàn)象,什么電啊、磁啊、毛細(xì)現(xiàn)象??；什么杠桿啊、滑輪啊、斜面啊，沒有一個(gè)成功的。再到后來,物理學(xué)家給出了一個(gè)能量守恒定律，這個(gè)定律宣判：東東1造不出來。能量守恒定律現(xiàn)在也叫做熱力學(xué)第一定律——可見熱力學(xué)不只有一個(gè)定律—-我們簡稱它熱一律吧!剛開始的時(shí)候,總有人不相信它——到現(xiàn)在還有人步信,所以接著試，屢戰(zhàn)屢敗，屢敗屢戰(zhàn),總有人不甘心。不管怎么說，永動(dòng)機(jī)是個(gè)多么美好的夢想??！王力雄在小說《永動(dòng)機(jī)患者》中就寫了一個(gè)執(zhí)著的農(nóng)民，他就是要造出永動(dòng)機(jī)，他相信，永動(dòng)機(jī)開轉(zhuǎn)之日，就是家鄉(xiāng)人民脫貧之時(shí)！美好的夢想要靠科學(xué)來實(shí)現(xiàn),于是又有人想出“東東2",它能夠吸收空氣（或者海水，或者別的東西）中的熱量,轉(zhuǎn)化成電能(或者其他可用的能量），轉(zhuǎn)化出來的燈與吸收過來的，所以不違背熱一律。東東2每轉(zhuǎn)一圈，就是環(huán)境的溫度下降一點(diǎn)點(diǎn)，同時(shí)使蓄電池滿上一點(diǎn)點(diǎn)。顯然，東東2尤其適合在夏天的房間里使用，那就是一個(gè)不但不耗電，而且能發(fā)電的上好空調(diào)啊!我們可以用東東2在夏天的時(shí)候降溫、發(fā)電，把發(fā)出來的電存起來，到冬天用來燒電暖器.這就相當(dāng)于把夏天的熱用到了冬天。如果在輔助以某某種定時(shí)裝置，我們就可以自動(dòng)化地夏熱冬用，多么以人為本的科學(xué)技術(shù)啊！一想到這兒，我都忍不住笑出聲來！假如我們把東東2放到大海中，大海呀,多么大??！只要海水的溫度降低一度，把釋放出來的熱量便成電能，就能讓人類用上多少萬年啊!也許有人會(huì)擔(dān)心,這樣下去，海水的溫度會(huì)不會(huì)越來越低，最后凍上？當(dāng)然不會(huì)了。因?yàn)橛袩嵋宦砂?！我們使用的能量，不管來自哪里，最后總要耗散成熱能的，就?huì)提高空氣的溫度，會(huì)通過熱傳導(dǎo)、熱輻射、阿熱對流，把海水的溫度再提上去.然后,我們就可以讓東東2接著轉(zhuǎn)，什么大牲口、小牲口啊,水電站、火電站啊,都可以歇著去了！然而，物理學(xué)又給出了一個(gè)“熵增加原理”，消滅了東東2問世的可能性。熵增加原理說：“能量的轉(zhuǎn)化是有方向的！”這個(gè)方向，按照里夫金的說法，就是從有用的，變成無用的；從能用的,變成不能用得。(里夫金，1987)這個(gè)原理就是熱力學(xué)第二定律，我們簡稱它熱二律.熱二律有很多種表述，有一個(gè)直接針對東東2的表述是這樣說的：“不可能從單一熱源吸熱做功,而不對環(huán)境造成影響?！北热缥覀兛梢杂靡环N叫做空調(diào)的裝置從空氣中吸熱，降低室溫,但是這個(gè)過程不可避免地要對環(huán)境造成影響，一方面要有點(diǎn)能輸入，另一方面要把廢熱排到室外,升高室外溫度.“熵”這個(gè)詞中文里本來沒有，是造出來翻譯entropy的,簡單地說，它是無序的量度。熵越高，無序程度越高。比如一塊冰化成水，熵增；再化成氣，又熵增。所以熵增加原理，就是說:一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵不能減少，而只能增加—-現(xiàn)實(shí)中的情況就是如此；或者不變—-在理想的可逆系統(tǒng)的情況下，這在現(xiàn)實(shí)世界從未發(fā)生。熵增加原理也給出了時(shí)間的方向，這就使系統(tǒng)自發(fā)演化的方向。比如你從冰箱里取出一塊冰，放在手上，冰很快就會(huì)化成水，水又會(huì)化成氣；同時(shí)，屋子里的溫度會(huì)降低一點(diǎn)點(diǎn)兒，濕度會(huì)增高一點(diǎn)點(diǎn)兒。這個(gè)過程是人所習(xí)見、人所共知的正常過程,這個(gè)事件的序列就給出了時(shí)間的方向。反過來,如果你看到了它的逆過程:你的手上忽然浮現(xiàn)出一顆水珠，水珠越來越大，然后變成一個(gè)冰塊，同時(shí)，室內(nèi)的溫度增高一點(diǎn)點(diǎn)兒，濕度降低一點(diǎn)點(diǎn)兒,你一定會(huì)詫異萬分，不是屋子出了毛病，就是你在看電影。這個(gè)逆過程雖然不違背熱一律，但是違背熱二律.熱二律是一個(gè)重要定律.《兩種文化》的作者C。P。斯諾把它和莎士比亞相提并論。美國物理學(xué)家則認(rèn)為，到了二十一世紀(jì)——也就是本世紀(jì)——誰要是不知道熱二律，就算不上有文化。他們之所以沒有專門說熱一律，那恐怕是因?yàn)闊嵋宦梢呀?jīng)成為常識(shí)了.據(jù)說還有一位物理學(xué)家這樣解釋：“根據(jù)熱力學(xué)第二定律，你不可能不輸不贏；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，你不可能贏.”理想單擺、生物圈2號(hào)與第三類永動(dòng)機(jī)根據(jù)這兩個(gè)熱力學(xué)定律，永動(dòng)機(jī)也被分成兩類。違背熱一律的東東1被稱為第一類永動(dòng)機(jī)，違背熱二律的東東被稱為第二類永動(dòng)機(jī)。這兩類永動(dòng)機(jī)在科學(xué)共同體內(nèi)部已經(jīng)達(dá)成共識(shí)——造不出來。不過，人們心中普遍還有一個(gè)永動(dòng)機(jī)之夢，我稱之為第三類永動(dòng)機(jī)-—“東東3"。讓我們先回到永動(dòng)機(jī)的字面意義.簡單地說,永動(dòng)機(jī)就是永遠(yuǎn)永動(dòng)的機(jī)器.那么，一個(gè)不需要外界能量和物質(zhì)輸入而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量自循環(huán)的裝置，就是一個(gè)永動(dòng)機(jī)嘍！比如一個(gè)理想單擺，在無摩擦的理想條件下，就是一個(gè)永動(dòng)機(jī)！它的勢能和動(dòng)能不停地轉(zhuǎn)化，沒有任何耗散，在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)能量的自循環(huán)，并且循環(huán)往復(fù)，以至無窮。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)世界中，理想單擺的理想條件是無法滿足的，因?yàn)榭偸怯心Σ链嬖冢栽趧菽芎蛣?dòng)能的轉(zhuǎn)化過程中，熱耗散不可避免。所以我們會(huì)看到，無論擺軸多么圓滑,擺的擺幅都會(huì)越來越小，直至停止。然而，如果我們從外界輸入能量,補(bǔ)充耗散掉的能量，比如給這個(gè)單擺裝一個(gè)太陽能發(fā)條，這個(gè)單擺是否可以永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去呢？按照現(xiàn)在的科學(xué)結(jié)論,我們這個(gè)地球已經(jīng)存在了46億年了.相信每個(gè)人小時(shí)候都問過：雨是哪兒來的，河水是哪兒來的？通過小學(xué)自然課程,我們也會(huì)建立起各種物質(zhì)循環(huán)的概念。海水蒸發(fā)為云，被各種季風(fēng)帶到全球各地，下降為雨雪,成為河流—-這是水的循環(huán)。人和動(dòng)物吸入氧氣，呼出二氧化碳，植物利用太陽能將二氧化碳中的碳固定下來,放出氧氣-—這是氧氣和二氧化碳的循環(huán)。在我們這個(gè)地球上，有許許多多這樣的循環(huán)。人們普遍相信，只要有太陽在天上照耀，這樣的循環(huán)就可以永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn),試驗(yàn)裝置是一個(gè)碩大的溫室，占地一公頃，在里面預(yù)先設(shè)置了河流、樹林、草地、動(dòng)物、人……?？傊?，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設(shè)計(jì)的，所以該試驗(yàn)被命名為生物圈2號(hào)--至于1號(hào)嘛，他們用來命名地球本身了.試驗(yàn)的設(shè)計(jì)者希望生物圈2號(hào)中的空氣、水、動(dòng)物、植物何人能夠在光合作用下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。這樣一種循環(huán)的理念我們常常遇到.比如人們設(shè)想在航天飛機(jī)上放置一些植物,便可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)氧和二氧化碳的自循環(huán)。又據(jù)說航天員的尿不能扔——好像也沒有地方扔,經(jīng)過處理后還要進(jìn)入航天員的飲用水系統(tǒng),這是水在一定程度上的自循環(huán).我們現(xiàn)在的所謂現(xiàn)代化的生存方式，也或強(qiáng)或弱地建立在這種自循環(huán)的理念之上。如前所述，現(xiàn)代文明就如一個(gè)馬達(dá)，輸入低熵狀態(tài)的能量和物質(zhì)，輸出高熵狀態(tài)的垃圾——廣義的理解，包括固態(tài)的、液態(tài)的、氣態(tài)的垃圾和純粹的耗散熱.文明越發(fā)達(dá),馬達(dá)的功率越高，制造垃圾的速度越快。我們身邊的一切物品諸如手機(jī)、手表、電腦、電視、洗發(fā)液、洗滌靈、衛(wèi)生巾、衛(wèi)生紙等等等等，歸根結(jié)底都是來自低熵狀態(tài)的礦藏、原油、森林和天然水體…….而考察其最終的趨向，必然是高熵狀態(tài)的垃圾!所以,每一個(gè)大城市的周圍都必然存在著若干巨大的垃圾填埋場。我們所謂的現(xiàn)代文明，就建立在垃圾堆的旁邊.對于這個(gè)推理，一種常見的質(zhì)疑是：你沒有考慮垃圾的處理。比如有些人就強(qiáng)調(diào)，垃圾是放錯(cuò)了地方的能源和資源。言外之意，將來會(huì)發(fā)明出某種新的技術(shù)，可以把這些垃圾逐一回首，提取出有用的物質(zhì)，循環(huán)利用。在這樣一種物質(zhì)自循環(huán)的理念下，文明馬達(dá)的速度取決于人類所能開發(fā)出來的能源，能源越多，這個(gè)自循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)得越快,人類就能享受越多的物質(zhì)。這正是第三類永動(dòng)機(jī)的美麗夢想！一旦這個(gè)未來的技術(shù)被開發(fā)出來,地球就變成一個(gè)東東3。讓我們回到生物圈2號(hào).像生物圈2號(hào)這樣的一個(gè)系統(tǒng),可以稱為半孤立系，它與外界沒有物質(zhì)交換，但是有能量交換,人們希望外界輸入的能量能夠維系其內(nèi)部物質(zhì)的自循環(huán)。這正是東東3的一個(gè)樣本。東東3違反的同樣是熱二律，只不過比較隱秘,我們需要對熱二律進(jìn)行仔細(xì)分析才能發(fā)祥。熱二律不僅規(guī)定了能量轉(zhuǎn)化的方向，也規(guī)定了物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方向.按照里夫金的說法：物質(zhì)總是從可用的變成不可用的。如果說東東2與熱二律的能量轉(zhuǎn)化方向相矛盾，東東3就與熱二律的物質(zhì)轉(zhuǎn)化方向相矛盾。且讓我們從物質(zhì)的角度重新考慮熱二律。這是個(gè)被物理學(xué)教科書忽視的一個(gè)角度，我就不記得當(dāng)年的熱力學(xué)習(xí)題中有這樣的題目。從物質(zhì)的角度定義熵，也可以從其微觀量子態(tài)的數(shù)目入手，這里不做物理上的具體闡釋，只做一些說明。簡單地說,物質(zhì)從聚集態(tài)變成離散態(tài)，是一個(gè)熵增加的過程。比如把一大塊單晶硅切割成若干小片，雖然物質(zhì)總量不變,但是熵增加了——即使我們假定對單晶硅的切割不需要能量,也會(huì)導(dǎo)致熵增加—-這部分熵與所涉及的能量無關(guān)，可稱之為物質(zhì)熵。反過來，從前考慮的熵可稱為能量熵。當(dāng)我們把這一片片單晶硅分散到一個(gè)個(gè)電器之中，使得硅片與其他物質(zhì)進(jìn)一步混合在一起，會(huì)導(dǎo)致熵的進(jìn)一步增加。最簡單的自循環(huán)系統(tǒng)回到單擺這個(gè)例子上來，如果有外界能量不斷輸入，單擺是否可以永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)下去？對于這個(gè)問題,以前的物理書上沒有說過.很多人雖然沒有認(rèn)真地想過這個(gè)問題，但是本能地認(rèn)為,可以！如果僅僅從能量角度考慮，確實(shí)可以。但是，如果我們從物質(zhì)的角度考慮熱力學(xué)第二定律，就會(huì)發(fā)現(xiàn),不可以！因?yàn)閱螖[將在擺軸磨斷的時(shí)候停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)回答有點(diǎn)抬杠的意思，但是,如果我們考慮一個(gè)現(xiàn)實(shí)的有動(dòng)力單擺,就無法回避這個(gè)結(jié)果。因而，要想使單擺這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去，除了輸入低熵狀態(tài)的能量,還要輸入低熵狀態(tài)的物質(zhì)——擺軸。也許人有會(huì)說，我們可以把擺軸的粉末全部搜集起來,鑄造一根同樣的單擺。但是，這個(gè)熵