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统计力学遗留问题和H定理

(2016-08-24 01:23:58)
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易学宇宙学

学术讨论

     最近科学网上出现若干质疑统计热力学的博文,其中,水平较高的有王季陶、陈昌晔、徐晓三位博主,他们都发现了统计力学存在的“裂隙”,分别从低压人造金刚石、湍流计算、信息熵角度提出新观点,试图以此来处理科学革命扰动中遗留下的百年难题

     对三位博主的观点,我都参与了讨论,王季陶是一位经验丰富的物理化学教授,对自己的新理论十分自信,认定低压人造金刚石是属于热力学第二定律范畴的新发现,坚定要用新定律来补充热力学第二定律。陈昌晔可能是一位在读博士生,从玻方程和牛顿方程(刘维尔定理)矛盾角度,提出用路径积分化解这个矛盾,他的发现也很重要,引来了许多人参与讨论,他希望召开一个统计物理和非线性科学的学术会议,请各方人士来参加讨论;但因课题很前沿,响应者寥寥无几。

      另一位是徐晓教授,教育经验和实践知识都很丰富,有信息论和光量子方面的理论功底,他提出用信息熵弥合统计力学裂隙的观点最有分量,因信息熵牵涉到H定理,引起了我的关注,该博主较虚心,能和网友展开认真讨论。

     这说明,中国学术界已经体悟到了统计力学存在的遗留问题,正在寻找解决这些问题的途径。三位学者的博文引起了我的思考,总的看,学界对统计力学存在的问题已经意识到了,但认识问题的深度和解决问题的方法没有新的突破。我认为,目前统计物理学至少有如下几个方面问题需要引起学界注意:

     1).对玻尔兹曼H定理的价值需要深化认识,理论界一直把玻尔兹曼关系式视为是统计物理学诞生的标志,其实不然,统计物理学是麦克斯韦、玻尔兹曼为应对克劳修斯“宇宙热寂论”而掀起的一场伟大科学革命;麦克斯韦试图用“类人妖”克服宇宙热寂论,没有成功。玻尔兹曼则从另一个途径解决了这个难题。1872年,他找到了拮抗熵增加的函数,确立了H定理。打响了现代物理学革命第一炮。

     由于近代科学史对玻尔兹曼发现H函数的动因和价值没有进行深层透视,我们只能从这个函数的科学价值来追认他是真正的科学革命先驱。确立玻尔兹曼关系式是1877年的事,那只是热力学范畴的熵计算方法变革,并没有触及到热系统熵变的动力学关系,不能算是科学革命。H定理找到了宇宙中拮抗熵增加的熵流函数,为物种诞生机制提供了理论依据。使热力学成为名副其实的动力学。

     2).现代的统计物理学还没有把信息论纳入自己的体系,信息是负熵,这一衡量有序度的动力学概念,还没有引起重视,这是主流理论界忽视H定理的另一种表现。香浓把信息定义为负熵,没有信息就没有负熵,没有负熵就没有定态事物,零信息是混沌。信息是衡量有序度的负熵,正好和热熵的时间箭头对称互补,将信息熵纳入统计力学后,立刻就可得到弦量子的各种物理属性,很容易将相对论、量子论、统计力学整合到一起。

     3).统计力学还没有把普利高津耗散结构理论和玻尔兹曼熵理论进行有效整合,这是主流理论界忽视H定理的又一个表现。整合后的热力学第二定律,就是具有动力学性质的广义熵定律,适用于所有系统的熵变规律,尤其对生物细胞形成机制研究,非常有利,这一点主流理论界还没有意识到。

     4)麦克斯韦电磁方程组诞生后,应当及时纠正玻尔兹曼用分子动能作为热能来源的错误,用辐射量子作为热系统提供温度的载体,因物理学分科太细,这项工作一直没有人去做,这是最大失误。
    分子动能是机械能,不可能向热系统提供温度。玻尔兹曼用分子动能计算热系统熵变规律,那是因为当时对热质的结构一无所知,无法通过力学定律来解释孤立热系统为什么熵增,用气体分子动能是不得已而为之。经典统计物理学中的气体分子速度是根据系统热能拼凑出来的,孤立系统的气体分子不可能有每秒数百米速度,即使有每秒数百米速度,也不可能转换成热能。

     5).量子论已把连续能量“量子化”,意味着现代物理学为辐射量子武装了时空。辐射量子有了时空,就应当直接用辐射量子的时空来处理熵演化规律,不应该继续用位置和动量来计算熵值。熵计算改为时空要素后,立刻就能得到许多意想不到的新成果。

      以上是统计力学存在的遗留问题,《易学宇宙学》作了尝试性处理;在科学网上试探了一下,发现了解这一情况的人甚少,极大多数学者依然循着100多年前的老办法,用气体分子的位置和动量炒冷饭,真是很遗憾。




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