《機遇與混沌》讀書隨筆2——機遇的物理應用(標題是自己起的書里沒有)

今天讀的是一些比較復雜的東西,我理解的不太好,講出來也比較困難。。。不過有一些我理解過的東西講起來會比較輕松+愉悅,應該不會讓你覺得像在看天書。

昨天講到,對“機遇”的研究誕生了概率論,這說明“機遇這種東西是有研究的意義的”,我們所需要的是在大量的隨機和不確定中找出大致確定的東西。畢竟,未知的東西雖然有一種無法言喻的美,但卻通常暗藏著危險和麻煩。

接下來,就是概率論在物理中的一個實際應用——應用統計力學的知識來處理微觀氣體壓強,很幸運這塊知識我這學期學了,有興趣詳細了解硬知識的可以看以后不知哪一天會寫的深入解析,那時候數據計算和公式代換以及一些概念的提出就是必不可少的了,不過啥時候寫,就看心情了,不要太期待(話說誰會期待這種真槍實彈的演算和推理啊。。。)。現在我們都知道物質是由分子原子組成的(這要是不知道。。。我也沒轍請自行百度去。。。),而且數量極大(關于為什么數量極大也許以后可以說一說?)。那么想要摸清一升氣體中多得難以置信的氣體分子的運動狀態幾乎是不可能的。“它們沿各個方向高速運動,并以非常可怕的無序狀態相互碰撞”,也就是說分子一直在不停地做“熱運動”。

這個詳細說一點“分子熱運動”,有助于后面的理解(其實是我發現我可以在這里順勢講一個故事)。有關熱運動的現象最初是由一名植物學家布朗(Robert Brown)在顯微鏡下觀察水中的花粉的時候發現的。他看到漂在水面的花粉粒一直在做無序隨機的運動,因而將此稱作“布朗運動(Brownian movement)”。后來人們研究得知作為宏觀物質的花粉本身是不會有分子熱運動的,實際迫使花粉運動的是由于其他不斷熱運動的分子的撞擊,從而使花粉也表現出像是在做“熱運動”。


圖片來自網絡

這里附一張圖,假裝左邊畫的是花粉粒(圖中是用膠粒舉的例子,一樣的,關于膠粒是什么鬼以后看情況再講吧。。。)被介質分子(介質分子按理來說,在水里就是水分子。但其實這里撞擊花粉的不是水分子,詳情見下文)沖擊,各個方向在「某一時刻」受到沖擊的數量不一樣,那么粒子整體受到的合力就會朝向某一個隨機方向,使得粒子運動(這里其實物理原理是牛頓三定律,有興趣自己去了解一下)。可以說,布朗運動是大量液體中的分子(不全是水分子)集體運動行為的結果。【值得注意的是,布朗運動指的是花粉迸出的小顆粒的隨機運動,而不是分子的隨機運動。但是通過布朗運動的現象可以間接證明分子的無規則運動。一般而言,花粉之直徑分布于30~50μm、最小亦有10μm之譜,相較之下,水分子直徑約0.3nm(非球形,故依部位而有些許差異。),概略為花粉之萬分之一,難以令花粉產生不規則振動。因此,花粉事實上幾乎不受布朗運動之影響。在羅伯特·布朗的手稿中,“tiny particles from the pollen grains of flowers”意味著“自花粉粒中迸出之微粒”,而非指花粉本身。然而在翻譯為諸國語言時,時常受到誤解,以為是“水中的花粉受到水分子撞擊而呈現不規則運動”。積非成是之下,在大眾一般觀念中,此誤會已然根深蒂固。實際上花粉具備足夠大小,幾乎無法觀測到布朗運動。——來自百度百科。啊,不過究竟原理是什么我看網上說法不一啊!不過目前這不是重點別糾結。】

右圖顯示的是顯微鏡下粒子的布朗運動,請一定注意啦圖中的連線不是粒子運動的軌跡,而是取相等時間間隔對粒子位置做記錄然后按照時間順序把粒子出現過的位置連接起來,也就是說任意兩點之間粒子是隨機路徑運動到那里的,不是直線!友情提示:這個知識點某些地方的高考題可是考過的哦!!!

純手畫詳細解釋

關于布朗運動的深入研究,我查了百度才發現好像有很多蠻可怕的內容,比如這個貌似還和另外一個我聽說過的概念“漲落”(我知道這個詞源于了解到的一個可怕的概念“玻爾茲曼大腦”,有興趣的自行百度感受一下吧。。。)有關,也許以后我能大概說一說這玩意。

實際就是所有的分子都在永不停歇的做類似這個花粉一樣的無序運動,這種運動會隨著溫度升高而變得更加劇烈。分子是如此的多,運動又是如此復雜,因而這被稱為“分子混沌”。那么我覺得這里大概也就說了一下什么是混沌,可能就是指大量的不確定性?先這么理解吧。。。我也不太清楚。。。

“這種稱為分子混沌的無序情況有多少隨機性,或說機遇,是一個非常有意義的問題”,說實話單看到現在我沒有想象到有什么重大意義。不過聯系我學過的大物講到的分子微觀壓強的推導,那么一個我目前理解來的實際應用就是給出了分子壓強的產生原理和實際大小的計算。這個過程可神奇了,不行我以后一定要講出來驚艷一下你們!!!(又給自己挖坑立flag)

書接下來就告訴又是虐了我一學期的兩位科學家——玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)(啊對,就是我剛剛說到的那位提出了一個奇怪理論的科學家,我們之后肯定還會再看到他出來怒刷存在值。)和吉布斯(J. Willard Gibbs)創立了物理的分支——統計力學。統計力學對如何處理這種混沌給出了答案,我們可以用熵(entropy)來衡量這一升氣體的機遇量,而且我們有辦法精確計算這些熵的大小。“我們發現機遇是可以被馴服的,這對于認識物質極為重要”。關于熵,現在暫且把它當做一個奇怪的咒語記下,以后肯定書會講的!!!這可是另外一個神奇又重要的概念!!!分分鐘刷新三觀的那種!!!

呃,這么看來前文說的“這是個非常有意義的問題”,大概是說研究這個問題得出來的理論——熵,是個有價值的東西。但是我在想究竟是科學家先覺得這問題有意義,所以去研究的呢?還是 “先不管有沒有意義,研究出來了一些成果,才發現原來這個問題這么有意義”式的馬后炮呢?似乎我經常會聽到有人說,做XXX有什么意義?似乎對于難以理解的東西,或者真的很虛無縹緲的一些理論,表現出關于實際價值的質疑是一種常態。但是也許就像這個問題,可能真的科學家在研究之前沒有想到這些結果有什么用,但是研究出來的東西確實顛覆世界的,這種后果又有誰能想到呢?所以我總是會對那些我完全不能理解的東西懷有一種崇高的敬意,因為仔細想想,你完全不能理解的東西有人能對其如醉如癡,那該是一種怎樣的高深境界啊!!!再說,現在看起來似乎沒用的東西,沒準哪一天就改變人類發展了呢!

今天先到這里,故事明天繼續!(我才不會說其實寫到這里連書的第一章都沒講完。。。我擴充了好多東西。。。)

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