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[物理史] 费曼 (Richard Feynman) 的「布

2020年06月10日 来源:http://www.sbgw77.com



(译自APS News,2013年5月)

[物理史] 费曼 (Richard Feynman) 的「布

图一、费曼 (Richard Feynman)
(图片来源:wikimedia commons)

1948年,爱丁顿爵士 (Sir Arthur Eddington) 清楚说明热力学第二定律佔据着「自然法则最高的位置」。他哀叹说,如果有人设计出一个违反第二定律的理论,「就会走上彻底耻辱性的崩溃一途」。虽然如此,却无法阻止物理学家三不五时就提出推测性的想像实验,看看要如何违反第二定律,这些过程也因此深化了我们对它的理解。

其中最着名的「马克士威精灵」,是马克士威 (James Clerk Maxwell) 最先于19世纪,1867年12月给苏格兰数学家泰特 (Peter Guthrie Tait) 的一封信中所提出的。马克士威想像说,有一个容器,里面充满温度相同的气体分子,有一个绝缘隔板将容器一分为二。容器内有一个精灵定期地打开隔板上的门,让速度比平均要快的分子往同一方向流动,一段时间后,两个空间就会产生温度的差异,可以用来做功。以第二定律的统计性来看,这只精灵似乎打败了熵的增加。

大约100年后,费曼 (Richard Feynman) 再度思考此概念,他以自己从热力学所得到的灵感设计想像性实验,似乎违反了第二定律。费曼成长于美国纽约皇后区法洛克威 (Far Rockaway, Queens),自幼即喜爱解难题。在他的高中时代,有一位同学常会一早就问他一道几何难题,费曼会一直思考至解出为止。在一整天当中,其他同学会拿相同的难题问他,他都能立刻为他们解出来,因此赢得了「超级天才」的声誉。他的整个物理生涯即是在解答越来越複杂的难题。

费曼于1940年代初期加入了曼哈顿计划,当时他还是一位研究生,生性爱恶作剧,只因好玩就去破坏洛色拉莫士 (Los Alamos) 的安全系统。他自己学会安全开锁的技巧,撬开保管库的锁,里面有建造原子弹最机密的秘密。他从未取走任何资料,只留下讥讽的字条,感叹曼哈顿计画安全系统的鬆散。费曼晚年培养出绘画与打鼓的兴趣。

1960年代,费曼是美国加州理工学院的物理教授,参与了一个提升加州理工学院大学部学生教学的三年计划。结果他整理出经典的授课内容,最后出版成《费曼物理学讲义》(The Feynman Lectures on Physics)。此讲义光是英文版就卖了一百五十多万册,一直指导激发着现在的年轻物理学家。

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图二、布朗式棘轮,由《费曼物理学讲义》第一册的图46-1修改而成
1. 轮桨; 2. 轮轴; 3. 棘轮; 4. 制转桿(或棘爪)

在那些讲义中,费曼于1962年5月11日说明「布朗式棘轮」的设计,此设计是基于先前波兰物理学家斯莫卢霍夫斯基 (Marian Smoluchowski) 于1912年的研究工作。斯莫卢霍夫斯基设计出一个机器,可以从温度平衡系统的热能中撷取有用的功。此机器由一浸在液体中的小桨轮,和一个由轮轴所联结的棘轮所组成(图二)。液体中的分子呈现随机的布朗运动,它们的碰撞让桨转动。重点是,防止齿轮逆转的制转桿会阻止反方向的旋转,因此桨会持续沿同方向转动,可用来执行某些功,产生机械能。

费曼修正了斯莫卢霍夫斯基的想像性实验。他证明给大学部学生看,棘轮不会一直沿同方向地转动,因为制转桿也会呈现布朗运动,会上下抖动,因此棘轮的轮齿有时会向后滑动,而不是向前转动。事实上,费曼对此装置做了第一个定量分析,得到的结论是,随着时间的流逝,机器向后转动和向前转动会一样多,因此抵销任何做功的可能性。而且很可能由于没有外在的能量来源让它继续转动,最后会丧失能量。唯一可以从此系统撷取功的方法是,要想办法让机器两边的气体产生温差,就像蒸汽机的基本原理一样。

费曼的想像性实验几十年来让物理学家深感兴趣,甚至将它延伸到多个棘轮的情形。最后它发展成布朗电动机的概念:奈米尺度的机器,可以从非平衡的微小来源,例如化学势,取得有用的功,而非从热杂讯来取得。

2010年,荷兰推德大学 (University of Twente) 成功地展示了一部利用布朗棘轮的机器,使用了2,000个跳动的珠子,珠子的跳动让机器中的桨转动,产生了小小的净能量。为了确定桨只会转同一方向,推德的研究员将桨的每一叶片的一边覆盖住,这样珠子每碰到覆盖的那一边就会失去更多的能量。

这是一个很无效率的系统;它大部分的能量都化为热和声音消失了。它并未违反第二定律,可是,它可清楚解释生物分子,如核糖核酸聚合酶 (RNA polymerase) 和驱动蛋白 (protein kinesin) 的运动。在那幺小的尺度中,这些分子根据棘轮机制在身体里沿着细胞内的轨迹移动,此现象称为后档作用。推德的设备便是此运动模式在大比例尺度的呈现。

因此,当爱丁顿宣称第二定律不可能被打破,严格来说是正确的。然而,足智多谋的物理学家却继续证明它也许可以弯曲。


延伸阅读:

Eshuis, P. et al. (2010) “Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas,” Physical Review Letters 104(24): 4.Feynman, R.P. The Feynman Lectures on Physics, Vol. 1 (Chapter 46). Boston, MA: Addison-Wesley, 1963.Von Smoluchowski, M. (1912) “Experimentell nachweisbare, der Ublichen Thermnodynamik widersprechende Molekularphenomene,” Phys. Zeitshur 13: 1069.

原文刊载于物理双月刊2016年6月号38卷第3期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

 
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