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科學家告訴我們永動機不存在,但分子為什麽不停地做無規則運動?

2024-03-24科學

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現代科學認為我們的宇宙誕生於138億年前,當時有一顆奇異點發生了爆炸,奇異點是一個質素無限大、能量無限大、熱量無限大、密度無限大、體積無限小的點,這個點爆炸以後,我們的宇宙快速的向四周膨脹,經過138億年的時間,宇宙才膨脹成我們現在所看到的樣子,宇宙中的天體都是在宇宙大爆炸之後形成的,地球其實就是太陽系中的一顆行星,在太陽系中一共有八大行星,它們分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、在海王星的外面還有一顆冥王星,曾經冥王星也屬於一顆行星,但是後來科學家認為冥王星的體積和質素都太小了,於是將它踢出了行星的行列,在八大行星當中,地球是唯一一顆誕生了生命的星球,而人類是地球上最有智慧的生命。

從人類誕生以後就開始不斷的研究和探索世界的奧秘,現在人類已經對地球有了大概的認知,一直以來,人類都想要制造出永動機來,因為永動機意味著擁有無盡的能量,永動機是指不需要外界輸入能量或者僅在一個熱源的條件下便能夠不斷運作的機械,永動機可以提供熱能和電能,如果每家都擁有一台永動機,那麽就能夠源源不斷的提供能量,不用開采煤炭等資源,地球環境會變得越來越好,在很長一段時間內,人類對永動機的追求已經到了狂熱的地步,尤其是當永動機傳入歐洲之後,掀起了制造永動機的高潮,不過想要發明一台永動機是不可能的,因為它違反了能量守恒定律和熱力學第一定律和第二定律,從古至今,很多科學家都想要制造出永動機,但是經過無數次的嘗試都失敗了。

能量守恒定律可以簡單地表述為:在一個封閉系統中,能量既不能被創造也不能被消滅,只能從一種形式轉化為另一種形式。這意味著在一個孤立的系統中,總能量保持不變。為了更好地理解能量守恒定律,我們可以將其套用於一些常見的情況。例如,當我們將一塊冰塊放入一杯熱水中時,會發生熱量傳遞和能量轉化的過程。根據能量守恒定律,這個過程的能量守恒可以透過以下方式解釋:首先,我們需要知道冰塊和熱水的溫度差。當冰塊放入熱水中時,它會吸收熱量並開始融化。這是因為冰塊的分子運動速度較慢,而熱水的分子運動速度較快,所以熱量會從熱水傳遞給冰塊,使其溫度升高。

在這個過程中,能量從熱水轉移到了冰塊上面,按照能量守恒定律,這個能量並沒有消失,而是從熱能轉化為了其它的能力形式,具體來說,這個能量用於使得冰塊的分子運動加快,從而增加了冰塊的內能,隨著冰塊繼續融化,它的溫度也會接近熱水的溫度,當兩者溫度相等時,熱量傳遞就會停止,冰塊完全融化,我們會發現整個過程中的總能量是不變的,除此之外,永動機還違背了宇宙的最高法則,熱力學第二定律,也被成為熵增定律,熵增定律最早起源於熱力學,用於描述熱量從高溫物體轉移到低溫物體的不可逆轉的過程,而隨著統計物理、消息理論等一系列理論發展,人類逐漸認識到熵的本質,即孤立系統中的無序程度,熵越高無序程度就會越高。

在1865年,德國物理學家克勞修斯首次提出了熵的概念,用來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度,能量分布的越均勻,熵就會越大,可以簡單理解為,熵是表示物質系統狀態的一種度量:熵越大,系統就越無序,熵越小,系統就越有序,簡單來說就是,在任何一個封閉的空間中,任何事物必然會從有序走向無序,直到死亡,任何事物都無法逃離這個命運,熵增定律揭示了宇宙演化的終極規律,這個規律包括了我們所有生命和非生命的演化,而且科學家將其稱為是宇宙中最絕望的定律,這就好比一間新屋子,如果不整理,那麽屋子最終會越來越亂,一杯開水放著放著就會變涼,水只能夠從高處流向低處,我們的手機只會越用越卡,這一切的根本原因就是熵在不斷的增加。

著名的物理學家薛定諤曾經說過:生命以負熵為生,他認為生命的本質就是一個負熵系統,我們透過攝入負熵來減少自身的熵增,而人類從出生開始就一直都在對抗熵增,這個定律是無法改變的,整個宇宙都在遵循這個定律執行,看到這裏,可能有很多朋友會產生一個疑問,就是我們的地球從誕生以後就開始不斷的轉動,到現在已經轉動了46億年的時間,難道說這不就是永動機嗎?關於地球為什麽轉動在科學界有幾種說法,第一種說法就是星雲說,這是從星系誕生的角度來說的,這一說法認為,太陽系形成於一個大型星雲的重力塌縮,大約在46億年前,宇宙中一片混亂,巨大的重力將一些原始星雲聚集在一起,聚集到一定程度之後,密度就會變得越來越大。

再加上不同星雲之間因為擠壓相互摩擦導致溫度上升,產生熱量,由於承受不了這麽大的壓力,這些原始星雲就會發生爆炸坍塌,巨大的沖擊力將那些天體甩了出去,為了保持平衡,這些天體只能夠透過旋轉的方式來穩定自己,經過漫長時間的發展,旋轉已經成為了這些天體的慣性,而地球就是其中之一,第二種說法是太陽風,科學家認為,太陽風是從太陽上層的大氣中射出來的一種超聲速等離子體帶電粒子流,不同於地球上的風,太陽風是由質子和電子組成的,這種風以200-800千米每秒的速度運動,宇宙中的太陽風每天都在高頻次、高風速、持續不斷的輸出,就像地球上的風吹動物體一樣,由於地球距離太陽很近,所以受到的太陽風影響很大,這使得地球一直都在轉動。

不過科學界認可度最大的說法是角動量守恒,角動量是一個物體圍繞一個軸旋轉時所具有的量度,它是由物體的質素、旋轉半徑和旋轉速度等因素共同決定的。在沒有外力作用的情況下,角動量守恒定律指出,一個物體的角動量總是保持不變的。這意味著,如果一個物體的旋轉速度減小了,它的旋轉半徑也必須相應地減小,以保持它的角動量不變。地球的角動量是由地球旋轉而產生的。早期的地球可能是由許多小塊體聚集而成的,它們在互相碰撞的過程中不斷地轉動和交換角動量,最終形成了一個具有相對穩定自轉的地球。地球的角動量是由地球的質素、旋轉半徑和自轉速度共同決定的,因此地球的角動量也隨著這些因素的變化而發生變化。

在地球形成的過程中,地球上的物質原本都是散亂的,但是由於地球的旋轉和碰撞,物質慢慢向赤道方向聚集,形成了一個圍繞赤道的自轉軸,這個自轉軸慢慢的變得穩定,形成了地球的自轉,所以說,地球也並不是永動機,而是透過其它力量來維持自己的自轉,從目前的科學認知來說,宇宙中還沒有發現任何永動機的物體,既然永動機是無法實作的,那麽為什麽分子能夠永不停歇的做無規則的運動?原子和分子的發現是一個長期的科學探索過程。早在古希臘時期,哲學家德謨克利特就提出了原子的概念,認為物質由不可再分的微小粒子組成。然而,直到19世紀初,化學家約翰·道爾頓提出了原子理論,認為所有物質都由不可再分的原子構成。

隨後,透過化學實驗和研究,科學家們逐漸發現了不同元素的原子結構和性質。而分子的概念則是由化學家阿佛加德羅·阿佛加德羅在19世紀中葉提出的,他透過研究化學反應和化合物的組成,認識到物質是由不同元素的原子組成的。因此,可以說原子和分子的發現是多位科學家透過實驗和理論研究的成果。分子的這種無規則運動其實就是布朗運動,是由應該科學家布朗在1826年的時候發現的,他透過顯微鏡觀察水中花粉的運動,發現了這種不規則的運動,分子是保持物體物理性質和化學性質的最小顆粒,分子之間存在間隙,間隙的大小和分子之間的重力和斥力是有關系的,一般來說,氣體分子之間的間隙較大,分子之間的作用力就會比較小,因此氣體有很大的流動性,容易被壓縮。

而液體分子的間隙相對較小,分子之間會變現為重力和斥力,分子在平衡位置做無規律運動,而固體分子的間隙很小,分子間的作用力很大,只能夠在固定位置最無規律運動,所以固體都是有固定形狀的,一旦物體受熱,就會吸收能量,於是分子的運動就會變得更加劇烈,間隙也會隨之增大,所以分子的無規則運動也是分子的熱運動,而構成的物質的分子都具有能量,單個分子的運動遵循力學規律,大量的分子的運動遵循統計規律,是沒有規則的,從理論上來說,只有在絕對零度的條件下,分子才會停止運動,零下273.15攝氏度,這個溫度就是絕對零度。目前科學家發現宇宙中最寒冷的區域溫度達到了零下272攝氏度,距離絕對零度只有1.15攝氏度,科學家認為,絕對零度只是一個概念,現在宇宙中根本不存在絕對零度。

因為溫度是由物體的分子熱運動所產生的,分子熱運動越劇烈,物體的溫度就會越高,分子運動的越慢,溫度就越低,當分子停止運動後,溫度就達到了絕對零度,但是按照愛因斯坦的相對論,任何物體都在做相對運動,這就意味著分子不可能停止運動,因為它一直都在做相對運動,既然如此,那麽絕對零度也不可能出現,當宇宙中出現絕對零度的時候,也就意味著宇宙死亡了,整個宇宙中的物質都停止了運動,才能夠出現絕對零度。不過分子的不規則運動和永動機是兩回事,永動機和做功有關系,和運動沒有直接關系,如果我們簡單的將永動機定為永遠運動的機器,那麽宇宙中任何的物體都能夠被稱為是永動機,分子等微觀粒子的運動,並不涉及到做功,只是單純的做熱運動。而它們的運動也需要能量。

這股能量就是宇宙大爆炸所產生的能量,根據科學家的計算得出,宇宙大爆炸所產生的範圍超過了15個銀河系的寬度,釋放的能量更是高達全人類每年消耗能量總和的100億億億億倍!宇宙中所有的物質都是由這次大爆炸所產生的,包括分子、原子等等,到現在為止,我們的宇宙還在不斷的膨脹當中,而且膨脹的速度越來越快,已經超過了光速,在20世紀初的時候,愛德溫.哈伯觀測了46個星座和星系,發現它們的光譜正在紅移,這說明它們正在移開,而且哈伯還發現,星系移開的速度和它們之間的距離之比是一個常數,也就是說,它們離得越遠,分開的速度就會越快,這個關系被稱為是哈伯定律,根據哈伯定律,我們能夠知道,宇宙中的物質會變得越來越遠。

這種情況下,如果宇宙中的物質均勻分布,那麽物質的密度會越來越小,我們自然會變胖。但是,宇宙中的物質並不是均勻分布的,其中有質素密集的區域,比如星系和星系團,也有密度稀疏的區域,比如巨大的宇宙空洞,這些空洞幾乎沒有質素。宇宙之所以會這樣,是因為宇宙中物質之間存在多種物理作用。在小尺度上,比如動物大小的層面,電磁力和核力起主要作用;在大尺度上,比如恒星、星系的層面,萬有重力起主要作用;在極為宏觀的尺度上,星系在遠離,星系團在分解,宇宙的膨脹起主要作用。而推動宇宙不斷膨脹的力量可能就是暗能量,暗能量是暗物質釋放出來的一種強大能量,雖然我們看不到它們,但是它們卻真實存在宇宙當中。

科學家認為,暗物質的密度非常小,但是數量非常龐大,因此它的總質素很大,占到了宇宙總質素的百分之26.8,而宇宙中能夠看到的物質(恒星、彗星、小行星、黑洞等)占到了宇宙總質素的百分#圖文萬粉激勵計劃# 之4.9,暗物質無法被直接觀測到,但是它能夠幹擾星體發出的光波或重力,其真實存在能夠被人類明顯的感受到,而暗能量占到了宇宙總質素的百分之68.3.暗物質表現為斥力,使物質體積膨脹,且均勻分布,最早發現證據,並推斷出暗物質存在的是,荷蘭科學家,揚·奧爾特,他在1932年,根據銀河系恒星的運動,提出銀河系裏面,應該還存在更多的質素。 1933年,瑞士天文學家弗裏茨·茲威基,研究後發座星系團時,使用維裏定理推斷出,星團內部有看不見的物質。 但當時沒有把它叫做暗物質,而是被稱為丟失了的質素。

在這之後,還有很多的天文學家,在觀測時,都發現在宇宙中存在不明物質。後來到了2006年,美國科學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E0657-558進行觀測,無意間發現了星系碰撞的過程,星系團碰撞威力非常巨大,將暗物質和正常物質分開,因此發現了暗物質存在的直接證據,宇宙中任何物質的運動,可能都和暗物質和暗能量有關系,雖然現在科學家還在研究暗物質和暗能量的奧秘,但是科學家認為,宇宙不可能平白無故的膨脹,天體也不可能無緣無故的運動,這背後的一切都有一種能量在控制著,所以我們所謂的永動機是不可能實作的,畢竟宇宙中任何物質都是需要能量相互的轉化的。小編認為,任何事物都必須遵循宇宙法則,永動機違背了宇宙法則,所以人類不可能將其制造出來,對此,大家有什麽想說的嗎?