光子信息在热学中的应用

基本粒子、光子、物质

Elementary particle、photon、matter

光子信息对热学的贡献

赵丰军

既然我们说光子是物质的基本粒子，一种光子信息对应一种宏观的物质，光子的光速不变性也得到解释，物质的质量存在原理也做了说明，光子信息原理应该对物质中的热学有一定的理解，特别是对热学中的一些基本概念，对热力学第一定律中的焓，和热力学第二定律中的熵，应该有自己的说法，就是说焓和熵在光子信息理论中，应该是一个什么样的概念，对这些物质概念应该有一个合理的解释，如果不能做出正确的解释，就不能谈到光子是物质的基本粒子，既然是基本的东西，就应该能够解释物理中的所有概念。

热力学第一定律实际上就是能量转化和守恒定律，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中，能的总量保持不变。这些是中学物理学课本中讲得很清楚的道理，只要有高中物理知识的人都能够理解。为什么没有能量增加，为什么能够传递和转移，这从光子信息的角度很容易理解，由于光子信息不断运动，能量就要不断传递，由于光子的作用使物质具有明物质的显示，宇宙中的光子总量应该是固定的，一定的光子总数量，确定了宇宙中总能量这个因素，有一种暗物质转变为明物质，必然有一种明物质在另一个地方转变成为暗物质，只要有光子到来，必然有一个地方少一个光子，这是能量守恒定律的基本原因。这些道理是很简单的，但是人类为了描述一些热力学现象，在描述热力学第一定律时，引入了一些物质概念，让人们不可思议，例如人们引入永动机后，从永动机的角度理解热力学第一定律，第一类永动机是不消耗能量就能永远运动的永动机，现在人们已经知道，不消耗能量的永动机是不可能实现的，于是人们说第一类永动机的不可能实现，揭示了热力学第一定律。

用数学原理更能清楚地说明热力学第一定律，用 U表示这个系统的内能，从微观的物理意义上讲，内能中包括：分子无规则热运动动能，分子间的相互作用势能，分子、原子内的能量，原子核内的能量等等，此外当有电磁场与系统相互作用时还应包括相应的电磁形式的能量，用Q表示系统与外界吸收的热量，A表示外界对系统所作的功，这样，这就是热力学第一定律的数学表达式。

当人们对等压过程进行研究时，发现可以引入一个新的物理量-------焓，当人们又引入焓这个概念，从焓的角度描述热力学第一定律，人们是这样描述的：我们知道，对于等压过程，外界对系统所作的功为，将这个功的表达式代入热力学第一定律的数学表达式的时候，

这样人们就可以引入一个新的物理量----焓，

这样热力学第一定律又可以等效地描述为：在等压过程中，系统吸收的热量等于系统态函数焓的增加量。焓是人们自己定义的物理量，这是一种数学推证，这个物理量与人们能够理解的物理量间有没有直接的联系，就是说这个态函数怎样解释给大众才能让人们更信服，事实上焓这个态函数与光子信息的能量有着不解这缘，我们知道，当一个系统内的温度达到绝对零度的时候，这个系统内的能量是绝对为零的，也就是这里所说的光子信息的能量密度是零，当光子信息的能量密度为零的时候，这里是真正的真空，没有一个光子从这里通过，这里的所有物质不能作用光子，不能吸收光子，物质质量不能得到显示，物质分子没有热运动，这时可以说成是系统内的能量是绝对为零的，也可以说成此时此刻这个系统的焓值是零，只要有一个光子不断地通过这个系统，这个系统的焓值就不是零，事实上系统的焓值可以理解为系统内正在作用的光子总能量和系统内存在光子的总能量。它是一个动态的物理量，是一个随时间、随状态不断变化的状态量。

从这个角度来看，由于温度越高，系统的光子信息能量密度越大，就是说在系统内部，存在正在运行，而没有与系统作用的光子信息能量，这部分能量只是在系统中存在，并没有与系统作用，随着温度的升高，这部分光子信息能量也在增加，由于这部分光子信息没有与系统作用，对外界并不显示，这部分能量也应该焓之中的，这也是说在等压过程中，系统所吸收的热量并不是完全等于系统焓的增加，而在存在一个误差，若是温度升高，吸收的热量多于焓的增加量，若是降温吸收的热量少于焓的增加量。

随着人们研究的不断深入，人们发现一个道理，并不是说只要不违背热力学第一定律，只要吸收能量，永动机就会诞生；事实是还有一个热力学第二定律在制约着永动机的诞生。我们有这样一个经验，两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，使低温物体温度升高。谁都没有见过这样的现象：热量会自发地从高温物体传给低温物体，使低温物体的温度越来越低，使高温物体的温度越来越高，这里所说的“自发地”指的是没有任何外界的影响或帮助。就是说热传导的过程是有方向的，于是人们想象，可以制作一台永动机，让这台永动机，从一个热源中吸收热量，将所有吸收到的能量用来100%地做功，推动这台机器一直做功下去，并且没有引起其它变化，从表面来看，这台永动机并没有违背热力学第一定律，因为这台永动机是不断吸收能量的，人们经过各种努力，这种类型的永动机没有制作成功，人们经过研究，写出了多种热力学第二定律的语言表述：1、不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其它变化，这是按照热传导的方向性来表述的。2、不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其它变化。3、从热力学第二定律的统计意义来看：一个不受外界影响的“孤立系统”，其内部发生的过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。就是说一瓶子空气，一半存在空气，另一半是真空的几率是非常小的，而整个瓶子内均匀地充满空气的几率是很大的，所以，将一个瓶子内，半瓶充满空气，半瓶是真空，去掉挡扳后，一定是空气均匀分布；而将充满空气的一瓶子，绝不会自动地将一半充满空气，另一半变成真空。这就是热力第二定律的统计意义。

热力学第二定律的描述不同，具有不同的物理意义，我们在热力学第二定律的描述中有开尔文描述和克功劳修斯描述，其中开尔文描述是：热机不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不产生其它的影响；克劳修斯描述是：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化；这两种描述是等效的。随着人们对物质热学的深入研究，发现可以引入一个物理量----熵，作为物质系统的状态函数，帮助人们进行研究工作，它是这样定义的，，这里的表示任意给定的两个平衡态；S称为系统在平衡态X的熵；为任意常数，等于系统在初态的熵。考虑到热力学第一定律，这个定义可以写为：，这就是热力学第二定律的数学表达式，又可以改写为微分形式，，这是热力学第二定律的基本微分方程。

人们对热力学第二定律进行研究发现，知道了我们这个自然界是向着熵增加的方向发展的，当热力学系统从一个平衡态经过一个绝热过程，到达另一个平衡态，它的熵永不减少；如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如过程是不可逆的，则熵的数值增加。

还可以得出另一个结论，一个孤立系统的熵永不减少。这个结论是很明显的，一个孤立系统是与外界不发生任何相互作用的系统，所以它一定不从外界吸热，这个孤立系统的变化如果是可逆的，熵不变，不减少，如果这个孤立系统是不可逆的，熵增加，于是有人利用热力学第二定律对我们的宇宙做出大胆的猜想，我们的宇宙是一个孤立系统，我的宇宙是向着熵增加的方向发展的，最后的宇宙，会因为熵值达到最大而不能存在，最后走向灭亡。这个结论显然是错误的，因为在我们这个自然界里，并熵值都在增加，同样存在熵值减少的地方，在我们周围，热量总是自发地从低温物体传递到高温物体，物质密度总是从不均匀到均匀方向发展，但是有很多地方是向着熵值减少的方向发展的，平时人们看到热量自发是从高温物体传递到低温物体，这是光子从光子信息能量密度大的地方，向光子信息能量密度小的地方传递；但是在更多的空间里，光子是从光子信息能量密度小的地方向光子信息能量密度大的地方传递的，这种现象并没有被人们所认识，在这里人们就能看相反的结果，相当于热量是自发从低温物体传递到高温物体，物质密度由均匀向不均匀方向发展，这种情形就是自然界向熵减少的方向发展，这种情形多发生在宇宙中的光子信息漩涡中，光子信息总是从光子能量密度小的地方，向光子信息能量密度大的地方运动，它们是按照热力学第二定律的逆方向发展的，也就是说是向着熵减小的方向发展的，是在黑洞内和黑洞周围经常　发生这样的事。所以我们的宇宙并不是熵一直增加，宏观进行的熵增加，大部微观物质进行的是熵减少的活动，宇宙的熵值永远达不到最大值，永远是不会灭亡的。

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