第三類永動(dòng)機(jī)

【專家解說(shuō)】：　　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２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(lái)。不過(guò)，人們心中普遍還有一個(gè)永動(dòng)機(jī)之夢(mèng)，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(jiǎn)單地說(shuō)，永動(dòng)機(jī)就是永遠(yuǎn)運(yùn)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(wú)摩擦的理想條件下，就是一個(gè)永動(dòng)機(jī)！它的勢(shì)能和動(dòng)能不停地轉(zhuǎn)化，沒(méi)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(wú)窮。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)世界中，理想單擺的理想條件是無(wú)法滿足的，因?yàn)榭偸怯心Σ链嬖?，所以在?shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，熱耗散不可避免。所以我們會(huì)看到，無(wú)論擺軸多么圓滑，擺的振幅都會(huì)越來(lái)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(yáng)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(wèn)過(guò)：雨是哪兒來(lái)的，河水是哪兒來(lái)的？通過(guò)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(yáng)能將二氧化碳中的碳固定下來(lái)，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(yáng)在天上照耀，這樣的循環(huán)就可以永遠(yuǎn)進(jìn)行下去。 　?。保梗梗澳甏?，美國(guó)人在亞利桑那州的沙漠里進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)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……總之，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設(shè)計(jì)的，所以該溫室被命名為生物圈２號(hào)——至于１號(hào)嘛，他們用來(lái)命名地球本身了。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者希望生物圈２號(hào)中的空氣、水，動(dòng)物、植物和人能夠在陽(yáng)光的作用下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的自循環(huán)。 　　這樣一種循環(huán)的理念我們常常能夠遇到。比如人們?cè)O(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(shuō)航天員的尿不能扔——好像也沒(méi)有地方扔，經(jīng)過(guò)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(lái)自低熵狀態(tài)的礦藏、原油、森林和天然水體……而考察其最終的去向，必然是高熵狀態(tài)的垃圾！所以，每一個(gè)大城市的周圍都有必然存在著若干巨大的垃圾填埋場(chǎng)。我們所謂的現(xiàn)代文明，就建在垃圾堆的旁邊。 　　對(duì)于這個(gè)推理，一種常見(jiàn)的質(zhì)疑是：你沒(méi)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(lái)會(huì)發(fā)明出某種新的技術(shù)，可以把這些垃圾逐一回收，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)的速度就取決于人類所能開(kāi)發(fā)出來(lái)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(mèng)想！一旦這個(gè)未來(lái)的技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，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)這樣的系統(tǒng)，可以稱為半孤立系，它與外界沒(méi)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(guò)比較隱秘，我們需要對(duì)熱二律進(jìn)行仔細(xì)分析才能發(fā)現(xiàn)。 　　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(shuō)法：物質(zhì)總是從可用的變成的不可用的。如果說(shuō)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(shuō)明。簡(jiǎn)單地說(shuō)，物質(zhì)從聚集態(tài)變成離散態(tài)，是一個(gè)熵增的過(guò)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(duì)單晶硅的切割不需要能量，也會(huì)導(dǎo)致熵增——這部分熵增與所涉及的能量無(wú)關(guān)，可稱之為物質(zhì)熵。反過(guò)來(lái)，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