黑体辐射(黑体辐射、熵增定律与老子阴阳的本质)

  老子“万物负阴而抱阳,冲气以为和”与熵增定律

  –黑体辐射揭示了“万物负阴而抱阳“的科学性

  日本政府4月13日决定将福岛核电站的核废水排入大海的新闻,让大众再次闻“辐射”而惊恐,“辐射”这个词自然联想到了核辐射。实际上,任何物质只要温度高于绝对零度,都会发生辐射现象,太阳光是一种光辐射,手机会有电磁辐射,连我们吃的香蕉都会不小的辐射。当然,我们正常生活中受到的各种辐射都很小都是安全的,这跟日本的核废水会产生危害的核辐射是不一样的。

  一切物质除了会自发的辐射电磁波,也会吸收、反射电磁波。这些电磁波辐射跟物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body),以此作为热辐射研究的标准物体。理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射,其光谱特征仅与该黑体的温度有关,与黑体的材质无关。这种黑体发出的热辐射,就是黑体辐射了。普朗克研究了黑体辐射的规律,打开了量子力学的大门。

  在笔者的上一篇文章《从科学的角度来解释影响天下万物的“阴阳” 》提到了熵增规律和老子的阴阳概念之间的关系,本篇文章继续对这个问题进行研究。

  热力学第二定律指出不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。1865年德国物理学家克劳修斯提出了熵的概念,用它来表示通过热量改变来测定的物理量,用来描述热力学第二定律的这种热量传导的不可逆过程,其物理表达式为:S=∫dQ/T或ds=dQ/T。根据这个表达式,我们假定在一个孤立系统中有两个物体,一个是高温物体一个是低温物体,高温物体的熵是:

  低温物体的熵是:

  经过一段时间后,两个物体温度一致,热量传导完成,根据热力学第一定律即能量守恒定律,高温物体释放的(减少的)热量一定等于低温物体吸收的(增加的)热量,于是有:

  现在我们来考察拥有这两个物体的整个孤立系统的熵,它的总熵应该是两个物体的熵之和:

  由于T1 > T2,将上面第三个式子代入,我们得到下面的不等式:

  这就是著名的熵增公式,它揭示了一个孤立系统中发生不可逆的绝热过程,系统的熵永远是增加的,这就是熵增定律。现在物理学家普遍认为,宇宙是一个孤立系统,那么根据熵增定律,宇宙的熵会一直增加,直到宇宙中所有物质都达到热平衡,温度接近绝对零度,宇宙的物质不再活动,这样的宇宙似乎就死亡了,这便是可怕的“热寂”。不过到达这一天时间太过漫长,我们人类用不着杞人忧天。

  前面讲了什么是黑体辐射,现在我们再来考察证明熵增现象的孤立系统中的两个物体,显然在我们前面的思想实验中这两个物体就是我们说的黑体。高温物体发出热辐射,温度降低,高温物体的熵减少,熵函数呈现负向变化量,即负熵;低温物体吸收热辐射,温度升高,低温物体的熵增加,熵函数呈现正向变化量,即正熵。然而克劳修斯不等式的神奇之处就在于它证明了孤立系统中两个黑体的“负熵”与“正熵”之和不是等于零,而是永远大于零。所以这个思想实验展示了黑体辐射和熵增现象之间的神秘关系。

  克劳修斯的熵概念反映的是宏观上人们对于人力学过程的直观概念,它基于人们无可辩驳的实验观察,但是熵函数的内在原理还需要探索。玻尔兹曼在研究分子运动统计现象的时候,给出了熵函数统计学意义上的表示:

  其中,Ω为系统分子的状态数,k为玻尔兹曼常数。

  玻尔兹曼熵函数将系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来,成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。这样就可以得出结论:系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度,系统的熵值越小,它所处的状态越是有序,越不均匀;系统的熵值越大,它所处的状态越是无序,越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大的状态转变,也就是从有序走向无序的状态,这就是熵增定律的微观物理意义。

  1900年10月,马克斯·普朗克将维恩定律加以改良,又将玻尔兹曼熵公式重新诠释,得出了一个与实验数据完全吻合的普朗克公式来描述黑体辐射。他将物体中的原子看作微小的量子谐振子,并假设这些量子谐振子的总能量不是连续的,即总能量只能是离散的数值(经典物理学的观点恰好相反)。自此,对黑体辐射的研究打开了量子力学的大门。

  假如老子也研究过黑体辐射与熵增原理,2000多年前的老子只能用“万物负阴而抱阳,冲气以为和”这样的句子来表述,毕竟古人的话语环境跟现代人有很大区别,我们理解古人说的话可能比现在中国人理解外国人说的话还要困难。笔者尝试用老子的这句话来解释黑体辐射与熵增原理,看看老子的这句话是否有着深刻的科学内涵。

  要搞清楚老子的阴阳到底是什么,我们还是从老子说的这句话来分析。中国汉语的伟大之处就在于它可以用一个字词来表示微妙的含义,特别是古时候的文言文用词更加精妙,只有理解了这些字词,才能准确的理解句子的含义。笔者认为,老子这句话的精妙之处就在于“负”和“抱”两个字。

  从字面意思可以明白,背负的东西一定是不能轻易离手的东西,需要长久放在身上的东西,自然也不能太大,在可承受的重量范围内;需要抱住的东西一定是比较大的难以用手抓住的,或者需要随时放下的东西。背负和抱住的区别,可以用以前妇女带娃的例子来形象表示:

  一群妇女走在路上,有的身上背着婴儿,有的手里抱着一两岁的小孩子,有的身边跟着会走路的大孩子。

  婴儿太小,必须时刻背在身上,两岁的孩子还是比较小走不动了需要抱着,抱一会儿再放下,五岁的孩子自理能力强了不需要背着也不需要抱着,跟在身边就行了。也许这个例子只是这些妇女一生中的一个场景,等她最小的孩子大点了,就不需要背着了,抱着或者让他自己走路也可以。

  观察这个妇女带孩子走路的过程,我们发现有几个事实:

  假如我穿越到2000多年前和老子一起老子看到了这个妇女,老子说:

  “万物(妇人)负阴(负婴)而抱阳(抱儿)。”

  我问老子此话何意,老子说:

  “阴是由万物诞生的依附万物而存在的东西,阳也是由万物诞生但是可以随时离开独立行动的东西,但是阴不会一直依附在万物身上,它也会长大最终变成阳。”

  我对老子说:“这个妇人的孩子还可以再生孩子,然后又背在背上,抱在手上。”

  老子说:“此乃子子孙孙无穷尽也!”

  我陷入沉思,什么东西会由物质不断产生,而最终会离开物质又不引起物质变化,并且这个东西在所有的物质都会产生?

  如果你熟悉物理学,可能会同意在整个物理学中只有黑体辐射能够解释我的疑问,这个东西就是热辐射,因为一切物质都会热辐射,一直辐射下去直到该物质达到绝对零度为止。

  黑体辐射研究的是物理学上的东西,但黑体辐射发生的本质原因是熵增定律,爱因斯坦说如果所有定理都可以证伪的话,熵增定律一定是最后一条这样的定理。可见熵增定律就是主宰万物的宇宙定律。

  如果说老子这句“万物负阴而抱阳,冲气以为和”只是碰巧说得跟黑体辐射现象一致,毕竟老子的“脑洞”非常人可比,什么样的场景老子都可能想得出来。要证明老子是否想到了黑体辐射,关键在于这句话的后半句所隐藏的秘密。

  老子知道仅仅说“万物负阴而抱阳”还说不清这个关系万物的阴阳到底是什么,这句话只能表示阴阳的状态、特点,无法表述阴阳的关系,阴阳于物质之间的关系,所以下一句“冲气以为和”便是关键。要理解这句话,还是得先从汉字的形意表述特点来分析。

  “冲气”表示有一种“气”像湍急的水流一样冲过来了。古人常常将那些无形但又能发生作用的东西称为“气”,比如空气、精气、元气。所以老子认为万物都有一种气会从物质里面冲出来,这种冲击而出的气造成了什么结果?是“以为和”。“和”在甲骨文中是“龢”, 二字互为异体字关系。“和”字在战国时期才出现,老子与孔子在同一时期,是战国前的春秋时期,所以老子说的应该是“以为龢”。“龢”字表示一种有多个管子的竹制管乐器发出的乐声,有调和、和谐的意思。成语故事“滥竽充数”里面的“竽”就类似于这种乐器。在老子看来,万物的阴阳之气是从万物中冲出来的,并且这种冲气就像有规律的乐声一样非常调和而和谐。

  乐声的调和与噪音的嘈杂是完全相反的声音体验。在音乐中,所有的音是按一定的关系组织起来的,才能发出好听的声音,如果违反了这规律,乐声就显得别扭了甚至杂乱。乐声由几种特定频率不同的音调组成,音调从低到高的表示是A、B、C、D、E、F一共七个音调,在中国古代采用的是五音调(宫、商、角、徵、羽)。噪音由很多不同频率的声音组成,彼此杂乱无章,听起来刺耳。简单总结来说,乐声是由特定数量且频率不连续的声音组成;噪音没有这个特征,所有频率的声音都可能在噪音中。所以组成乐声的音调关键的特征就是音调频率的非连续性。

  与音调频率的非连续性相似的是,量子力学假定原子(量子谐振子)的总能量不是连续的,即总能量只能是离散的数值。这个方法可以解释很多微观物质的行为,不仅适用于原子,也适用于光子、电子。量子力学的这种研究方法正是来自于1900年10月马克斯·普朗克用来描述黑体辐射的普朗克公式采用的方法。

  现在回头再看老子说的“冲气以为和”,老子认为万物皆有“阴阳之气”,它会像声音一样从万物身上“冲”出来,并且这种“冲气”不仅速度很快,而且还像乐曲演奏出来乐声一样有特定的声调(频率)。总结一下“冲气”的特点,第一是它速度很快,第二它类似于声音的一种波,第三这种波的频率具有非连续性。

  “冲气”的这三个特点在整个物理学中只有辐射现象与它是一样的。辐射可以分为电磁波辐射和粒子辐射。核辐射会产生粒子辐射,对人体有强烈的危害。光辐射、热辐射都是电磁辐射,电磁辐射常表现为电磁波。现代物理学已经证明所有物质都会辐射电磁波。核辐射只发生在放射性物质上,不是所有物质。所以,只有黑体辐射的“电磁波”以及解释黑体辐射现象的普朗克公式能够解释“冲气”的特点,据此得出,老子的“冲气”就是电磁波。

  如果说“冲气”就是电磁波,那么阴阳又是什么?我们需要再回顾一下黑体辐射问题。

  黑体是一个假想的热力学模型物体,黑体能够吸收落在它身上的所有辐射而不反射任何能量;黑体能够将它的所有能量都以热辐射(电磁辐射)的方式向周围辐射。恒星、黑洞可以视作近乎完美的黑体。热辐射又称为普朗克辐射,普朗克黑体辐射定律表明一个物体温度越高,其每个波长释放的辐射越多。普朗克辐射在波长上的强度最大值基于物体的温度。比如在室温下(~300 K),物体发出的热辐射大多都是红外线辐射,温度较高的时候有更多的红外辐射和可见辐射,物体温度看起来变红了。在更高的温度下,物体呈明亮的黄色或者蓝白色,并释放出包括紫外线和X射线在内的大量短波辐射。太阳表面温度大约6000K,发出强烈的可见光,同时还发射出大量的红外辐射和紫外线辐射。

  黑体通过热辐射将黑体的能量辐射出去,黑体的能量降低温度也降低,然而恒星这样的天体却能长时间维持表面温度的稳定,持续不断的进行热辐射,因为恒星内部在进行核聚变反应,不断产生巨大的能量。所以恒星通过核聚变产生巨大的熵,又通过辐射产生了巨大的负熵,每个时间单位恒星辐射的能量与聚变产生的能量是一样的,但根据熵增定律,恒星系统的熵还是会增加,恒星的结构无法维持原来的状态,恒星无法保持热平衡而逐渐死亡,变成白矮星,中子星或黑洞。

  对于行星来说它是一个开放系统,不是一个孤立系统,行星会吸收来自恒星的辐射热量,生成复杂的物质来降低行星自身的熵增过程。比如简单原子之间相互结合形成分子,分子再相互结合形成复杂的分子,如果条件合适还会形成生命体。这些复杂的物质将恒星释放的能量固化起来,虽然这种固化的比例微不足道,但它确实降低了行星的熵增过程,使得整个系统的熵增加得没有原来快。比如植物吸收太阳光的能量,将无机物合成为有机物,组成有机物的原子状态数量显然比游离的无机物原子状态少得多,这个过程就是增加负熵的过程。也就是说,这些复杂物质的形成,吃掉了行星的熵而形成负熵,生物存在的意义就是它可以吃掉更多的负熵,生物越高级它的构造越复杂,它所能吃掉的负熵就更多,所以,负熵使得生物进化成为必然,负熵也是文明诞生的原因。

  通过上面的例子,我们发现不论是宇宙中星系的演化,还是生命的诞生,生物的进化和文明的诞生,都是熵和负熵相互作用的结果,熵增定律起到了决定性作用。那么老子说的阴阳和熵、负熵有什么关系呢?我们来考察一个容易观察和理解的常见例子,气球受热膨胀的现象。

  气球内部充满了气体,气球内部的气体分子在不断的进行各个方向上随机的无规则的“布朗运动”,分子之间的激烈碰撞在宏观上形成了气体的压力。假设有一台高速相机可以拍摄到某个时刻所有气体分子的状态,拍摄一段时间后所有气体分子状态的总和便是熵。当我们使气球温度升高,气球内气体分子运动的剧烈程度也随之增加,宏观状态的表现就是此时气压增高,气球体积增加,微观状态的表现是气球分子的状态数量增加,气球内气体的熵增加。当我们让气球温度降低,上面的过程相反,气球内气体的熵降低,也就是形成了负熵。

  老子说,“万物负阴而抱阳”,前面用妇女带小孩的行为来讲解了“负”字和“抱”字的形象区别,这里继续引申使用一下,假设气球变得太大了,原来可以放在肩膀上的气球就可能只有抱着了。所以,通过这个例子,我们可以明白老子说的“阴”是收缩、内向的状态,“阳”就是扩张、外向的状态。

  假设老子和科学家来一场“超时空”对话,一起来讨论这个气球大小变化的问题。

  气球受热膨胀了,老子说这叫“抱阳”,科学家说这是“熵增”;气球温度下降恢复原来的大小了,老子说这叫“负阴”,科学家说这是“熵减”(负熵)。

  气球为什么会变小?老子说“冲气以为和”,科学家说气球发生了热辐射,使得气球内的气体能量降低了,气体温度降低气体压强减小。

  现在你觉得老子和科学家哪个说的对呢?实际上老子和科学家说的都是一回事,只不过一个是2000多年前的话语环境,一个是现代的话语环境,古人为了让后人更容易明白道理,只好采用“取类比像”的方式,用生动形象的文字来表述,这跟现代科学研究用数学公式来表示科学定律,其实是一回事,只不过前者的方式现代人不容易理解,后者更容易定性定量的进行研究。

  实际上用公式来表示科学定律普通人一样很难理解,霍金写的《时间简史》是一部畅销不衰的科普作品,霍金说,科普书里每多一个公式,读者就会减少一半,因此全书只有一个E=MC^2这个著名公式。中国的古人使用文言文著书立说,经典著作往往言简意赅,而你只要懂得了古人“取类比像”的思维方式,就很容易理解古人说的道理了,比如本篇文章笔者使用文章中举的这些例子来理解老子的话。

  本篇文章通过妇人带小孩分析了老子“万物负阴而抱阳”这句话里面的“负”字和“抱”字的形象含义,又通过黑体辐射来介绍熵、负熵和熵增定律,以及分析黑体辐射的过程,论证了老子“冲气以为和”的“冲气”就是电磁波,最后通过老子和科学家的“超时空”对话,最终揭示了老子说的阴阳的本质–阴就是负熵,阳就是熵增。老子“万物负阴而抱阳,冲气以为和”整句话说的就是熵增定律。熵增定律是决定万物的宇宙定律,所以阴阳也是万物之根本。

  《黄帝内经》:“阴阳者,天地之道也,万物之纲纪,变化之父母,生杀之本始,神明之府也。”

  以上就是关于《黑体辐射(黑体辐射、熵增定律与老子阴阳的本质)》的答疑相关内容,希望能够解决大家的疑惑,今天就介绍到这里了,如有更多疑问,请移步至百科答疑。

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 22673576@qq.com 举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
打赏 微信扫一扫 微信扫一扫

相关推荐

发表评论

登录后才能评论