在現實生活中，法律一直都在違反。除您的日常罪犯外，還有騙子和欺詐者，政客和暴民，公司和國家，將法律視為建議而不是限制。
物理學不是那樣。
幾個世紀以來，物理學家一直在識別出總是堅不可摧的自然法則。這些法律控制著物質，運動，電力和重力，以及幾乎所有其他已知的物理過程。大自然的法律是從天氣到核武器的一切根源。
這些法律中的大多數人都對研究和使用它們的專家進行了很好的理解。但是一個人仍然神秘。
它被廣泛認為是不可侵犯的，並廣受好評，適用於所有事物。它指導機器，生命和整個宇宙的功能。然而，科學家無法以一種清晰的表達方式來解決它，其基本基礎已經避免了解釋 - 試圖證明它嚴格失敗了。它被稱為熱力學的第二定律。或通常只是第二定律。
在（過於簡單的）術語中，第二定律斷言熱量從熱流向冷。或做工作總是會產生廢熱。或該命令屈服於混亂。儘管嘗試了許多嘗試，但其技術定義仍然很難用。正如20世紀物理學家珀西·布里奇曼（Percy Bridgman）曾經寫道的那樣：“第二種法律的表述幾乎與對其進行了討論一樣多。”
本月，第二法律慶祝其200歲生日。它來自法國工程師薩迪·卡諾特（Sadi Carnot）弄清楚蒸汽機物理的努力。它成為理解熱量在所有自然過程中的作用的基岩。但不是馬上。在物理學家開始意識到卡諾發現的重要性之前，已經過去了二十年。
“如果發現您的理論違反了熱力學的第二定律，我不能給您任何希望；除了最深的屈辱中崩潰，別無其他。”
亞瑟·斯坦利·埃丁頓（Arthur Stanley Eddington），天體物理學家
但是，到20世紀初，在某些人眼中，第二定律被認為是物理科學的主要法則。英國天體物理學家亞瑟·斯坦利·埃丁頓（Arthur Stanley Eddington）在1920年代宣布，它具有“自然法則的最高地位”。 “如果發現您的理論違反了熱力學的第二定律，我不能給您任何希望；除了最深的屈辱中崩潰，別無其他。”
自出生以來兩個世紀以來，第二定律已被證明對技術進步和基本科學同樣有價值。它是從冷卻咖啡到空調和加熱的日常過程的基礎。它解釋了發電廠中能源生產的物理和汽車的能源消耗。了解化學反應至關重要。它預測了“宇宙的熱死亡”，並在回答為什麼時間流向一個方向方面起著關鍵作用。
但是，一開始，這全都是關於如何構建更好的蒸汽機。
熱力學第二定律的誕生
尼古拉斯·萊納德·薩迪·卡諾特（NicolasLéonardSadi Carnot）出生於1796年，是一位著名法國工程師和政府官員Lazare Carnot的兒子。在法國，這是一個動蕩的時期，薩迪的父親很快發現自己站在政治上的錯誤方面。拉扎爾（Lazare）流放在瑞士（後來是德國），而薩迪（Sadi）的母親將她的孩子帶到法國北部的一個小鎮。最終，法國的權力發生了變化，拉扎爾（Lazare）在與拿破崙·波拿巴（Napoleon Bonaparte）的先前關係的幫助下返回。 （曾一次，拿破崙的妻子甚至是小薩迪。）
薩迪的弟弟希波利特（Hippolyte）撰寫的一本傳記，將他描述為微妙的憲法，並通過劇烈的鍛煉來補償。他充滿活力，但有些孤獨，幾乎保留了粗魯的地步。但是從小就表現出強烈的智力好奇心，最終融入了不可否認的天才。
到16歲時，薩迪準備在著名的ÉcolePolytechnique開始在巴黎開始高等教育（他的父親在數學，物理學和語言方面已經受過良好的培訓）。隨後的教育包括力學，化學和軍事工程。在這段時間裡，他開始撰寫科學論文（尚未倖存）。
擔任軍事工程師後，卡諾（Carnot）於1819年搬回巴黎，專注於科學。他參加了進一步的大學課程，其中包括一台處理蒸汽機，擴大了他對工業和工程流程的長期興趣。不久，他開始就熱發動機的物理學撰寫一篇論文，其中他首次推斷出了基本的科學原理，該原理管理著高溫產生有用能量的基本原理。 1824年6月12日出版，Carnot's反思熱的動力標誌著世界上第二律熱力學定律的第一眼。
計算機科學家史蒂芬·沃爾夫拉姆（Stephen Wolfram）寫道：“他能夠成功地表明，加熱發動機的理論最大效率僅取決於其熱和冷熱熱儲層的溫度。”最近對第二定律曆史的調查。 “在Carnot建造的設置中，他基本上最終引入了第二定律。”
卡諾（Carnot）研究了蒸汽機在18世紀英格蘭的使用及其在為工業革命提供動力的作用中。蒸汽發動機已成為社會上的主要機器，對工業和商業非常重要。卡諾觀察到：“他們似乎注定要在文明世界中產生一場巨大的革命。” “蒸汽機已經在我們的礦山上生產，促進我們的船隻，挖掘我們的港口和河流，鍛造鐵，時尚木材，磨碎穀物，旋轉，旋轉和編織我們的布……。”
Carnot指出，儘管蒸汽機的社會重要性是蒸汽發動機的重要性，但眾所周知，涉及他們將熱量轉化為工作的物理原理。他寫道：“他們的理論幾乎沒有理解，而改善它們的嘗試仍然幾乎是偶然的。”他決定，除了蒸汽本身的任何特定特性外，改善蒸汽發動機需要對熱量有更一般的了解。因此，他調查了所有熱發動機如何工作，無論使用哪種物質攜帶熱量。
在那些日子裡，通常認為熱量是一種流體，稱為熱量，它在體內流動。 Carnot採用了該視圖，並追溯了由圓柱和活塞，鍋爐和冷凝器組成的理想化發動機中的熱量流動。可以將適當的液體（例如水）轉換為鍋爐中的蒸汽，蒸汽可以在氣缸中膨脹以驅動活塞（做工作），並且可以將蒸汽恢復為冷凝器中的液態水。
Carnot的主要見解是，熱量通過從高溫下降到較低的溫度（對於蒸汽機，從鍋爐到冷凝器）而產生了工作。他寫道：“然後，在蒸汽機中產生動力的產生並不是由於熱量的實際消耗，而是由於其從溫暖的身體運輸到寒冷的身體的運輸。”
一個簡單的引擎
在研究的系統類型的類型中，將水轉化為鍋爐中的蒸汽。蒸汽驅動活塞，進而可以驅動車輪以進行鍛煉。蒸汽冷卻冷凝器中的液態水。 Carnot的主要見解是，在此過程中沒有消耗熱量，而是通過從熱區（鍋爐）轉移到冷區（冷凝器）來產生工作。
他對這一過程的評估，現在稱為Carnot循環，是計算任何發動機最大效率的關鍵，即從熱量中可以產生多少工作。事實證明，您永遠無法將所有熱量變成工作，這是第二定律的主要結果。
卡諾對熱量的信念當然是錯誤的。熱是分子運動的體現。儘管如此，他的發現仍然正確 - 無論發動機使用什麼物質或熱的實際性質是什麼，第二定律都適用。也許這就是愛因斯坦（Einstein）將熱力學稱為科學成就時最有可能站穩腳跟時的想法，因為進一步的進步重寫了人類對宇宙的了解。
愛因斯坦寫道，在其基本概念的適用性領域中，熱力學是我堅信的唯一有關普遍內容的物理理論……永遠不會被推翻。 ”
第二定律預測了宇宙的熱死亡
儘管卡諾（Carnot）的書至少收到了一份正面評價（在法語期刊百科全書審查），這在很大程度上沒有被科學世界所注意到。卡諾（Carnot）不再出版，並於1832年死於霍亂。兩年後，法國工程師émileClapeyron寫了一篇論文，總結了卡諾特（Carnot）的作品，使更廣泛的受眾訪問了它。十年後，英國物理學家威廉·湯姆森（William Thomson）（後來成為開爾文勳爵）遇到了克拉佩隆的論文。開爾文（Kelvin）很快確定，即使卡諾結論的核心也毫髮無損，即使熱量理論被新的認識替換為熱量實際上是分子的運動。
大約在同一時間，德國物理學家魯道夫·克勞西烏斯（Rudolf Clausius）提出了第二定律的早期明確陳述：沒有外部輸入的孤立機器不能在較高溫度下從一個身體傳遞熱量。獨立地，開爾文很快就得出了類似的結論：通過將自己的溫度低於最冷的物體的溫度來進行，任何一部分都無法發揮作用。每個陳述都可以從彼此中推論，因此開爾文和克勞西烏斯的觀點是第二定律的同等表達。
它被稱為第二定律，因為在此期間，其他工作確立了能源保護法，指定了熱力學的第一定律。能源的保護僅意味著物理過程中涉及的能量量保持恆定（換句話說，既不能創造也不會破壞能量）。但是第二定律更加複雜。總能量保持不變，但不能全部轉換為工作 - 其中一些能量被消散為廢熱，對更多的工作毫無用處。
開爾文寫道：“當允許熱量在較低溫度下從一個身體傳遞到另一個身體時，人類可用的機械能量絕對浪費。”
開爾文認識到，這種能量耗散成廢熱的耗散表明宇宙是一個黯淡的未來。德國物理學家赫爾曼·馮·赫爾姆霍茲（Hermann von Helmholtz）援引開爾文的援引開爾文的援引，後來觀察到，最終所有有用的能量都將變得毫無用處。然後，宇宙中的所有內容都會在相同的溫度下收斂。在沒有溫度差異的情況下，無法進行進一步的工作，並且所有自然過程都將停止。馮·赫爾姆霍爾茨（Von Helmholtz）宣稱：“簡而言之，從那時起，宇宙將被譴責為永恆的安息狀態。”
幸運的是，這種“宇宙的熱死亡”才能到達未來。
同時，克勞西烏斯（Clausius）介紹了熵的概念，以量化有用能量轉換為無用的廢熱，這提供了另一種表達第二定律的方式。他在1865年寫道，如果第一定律可以說為“宇宙的能量是恆定的”，那麼第二定律可以說為“宇宙的熵趨向於最大值”。
熵大致意味著無序。左右，有序的系統將墮落成無序的混亂。從技術上講，系統中的溫度差異將趨於均衡，直到系統在恆定溫度下達到平衡為止。
從另一個角度來看，熵是指系統狀態的可能性。低滲透率的有序系統處於低概率狀態，因為有許多方法比有序多。具有較高熵的Messier狀態更有可能。因此，熵總是有可能增加的 - 或者至少在已經達到平衡的分子運動的系統中保持不變。
將概率帶入圖片表明，從分析單個分子的動作來證明第二定律是不可能證明的。相反，有必要研究描述大量運動分子的統計測量。物理學家James Clerk Maxwell，Ludwig Boltzmann和J. Willard Gibbs沿著這些線路的工作，生成了統計力學科學，數學根據其分子的統計相互作用描述了物質的大規模特性。
麥克斯韋得出的結論是，第二定律本身必須僅具有統計有效性，這意味著它僅僅是因為它描述了最可能的過程。換句話說，（儘管不可能）感冒會流向熱是不可能的。他通過發明了一個假設的小傢伙（他稱其為“存在”；凱爾文稱其為惡魔）來說明他的觀點，該小傢伙可以在兩個氣體之間操作一扇小門。通過僅允許緩慢的分子通過一種方式并快速分子另一個方法，惡魔可以使一個房間變得更熱，另一個腔室更冷，違反了第二定律。
但是在1960年代，IBM物理學家Rolf Landauer表明，擦除信息不可避免地會產生廢熱。後來，他的IBM同事查爾斯·貝內特（Charles Bennett）指出，麥克斯韋（Maxwell）的惡魔需要記錄分子速度，才能知道何時打開並關閉門。如果沒有無限的記憶，惡魔最終將不得不刪除這些記錄，並保存第二定律。
門口的惡魔
在一個著名的思想實驗中，物理學家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出，一個假設的存在（現在稱為麥克斯韋的惡魔）可以將快速移動的“熱”分子與緩慢移動的“冷”分子分開，從而在對第二種熱力學定律的明顯違反中造成了溫度差異。後來的工作表明，這個惡魔無法真正打破第二定律。
思想實驗始於在相同溫度下的兩個氣體隔間。兩者都有快速移動（紅色）和緩慢移動（藍色）分子的混合物。
一個假設的選擇性為隔室之間的門打開一扇門，讓快速分子通過一種方式，而緩慢的分子則通過。
這種努力將使一個室內的氣體更熱，現在可以用來進行工作。
第二定律的研究出現了另一個神秘的問題，涉及其與時間方向的聯繫。
管理分子運動的法律不能區分未來和過去 - 一個分子碰撞的視頻向後奔跑，表明他們觀察到與前進的視頻相同的法律。然而，在現實生活中，與科幻小說的故事不同，時間總是流動。
表明時間的箭頭是第二定律增加熵的要求是合乎邏輯的。但是第二定律無法解釋為什麼宇宙中的熵尚未達到最大值。今天，許多科學家相信時光的箭頭不能僅靠第二定律來解釋（（SN：4/1/14），但還必須與大爆炸之後的宇宙及其擴張有關。由於某種原因，熵一開始一定很低，但是為什麼仍然是個謎。
第二法律尚未被嚴格證明
沃爾夫拉姆（Wolfram）在《第二定律的歷史》中講述了過去的許多努力為第二定律提供牢固的數學基礎。沒有一個成功。沃爾夫拉姆寫道：“到1800年代末……第二定律經常被視為幾乎有數學上有必要的物理定律。”但是，在推理的數學鏈中總是存在薄弱的聯繫。儘管人們普遍認為“某種程度上必須已經解決了”，但他評論說，他的調查表明：“不，這並沒有全部解決。”
驗證第二定律的一些最近努力援引Landauer對擦除信息的重視，這將第二定律與信息理論聯繫起來。在最近的一篇論文中，日本納戈亞大學的Shintaro Minagawa和同事斷言，將第二定律與信息理論合併可以確保法律的基礎。
他們寫道：“信息熱力學的第二定律現在可以被視為普遍有效的物理定律。”
在另一種與信息相關的方法中，Wolfram得出結論，第二定律的確認可以是在管理計算的原則中找到。他說，第二定律的基礎源於一個事實，即簡單的計算規則可以產生精心的複雜結果，這是他稱之為計算不可約性的原則。
實際上，第二定律是否是普遍真實的。也許解決這個問題將需要更好地定義法律本身。
儘管許多研究人員都在尋求有關第二定律的證據，但其他研究人員則反復挑戰它和試圖矛盾它的普遍有效性（SN：16/3/8; SN：7/17/17）。但是日記中的2020年評論熵結論是沒有這樣的挑戰對於第二法律，尚未成功。 “實際上，所有解決的挑戰者的悖論和迄今為止對第二法律的誤導違規都已解決了第二法律，而永遠不會反對，”迪卡爾布北伊利諾伊州北部伊利諾伊州大學的熱力學主義Milivoje M. Kostic寫道。 “我們仍然要目睹一項違反第二法律的單一法律，以確認。”
然而，實際上第二定律是否是普遍真實的，仍然尚未解決。也許解決這個問題將需要更好地定義法律本身。克勞西烏斯（Clausius）陳述熵趨向於最大程度的變化通常被視為第二定律的定義。但是物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）發現這不令人滿意。他更喜歡“一個唯一的淨結果的過程是從水庫中取暖並將其轉換為工作是不可能的。”
當第二定律誕生時，卡諾（Carnot）簡單地描述了它而沒有定義它。也許他知道還為時過早。畢竟，他確實意識到未來將帶來新的見解，以了解熱的本質。在個人論文中保存的未發表的作品中，他推斷了熱和機械運動之間的等效性 - 這將成為熱力學的第一定律的本質。他預見到熱量理論可能會出錯。他列舉了實驗事實“傾向於破壞”熱量理論。他寫道：“熱量僅僅是動力的力量，或者是運動的動力，它已經改變了形式。” “這是身體顆粒之間的運動。”
卡諾（Carnot）計劃進行實驗測試這些想法，但死亡進行了乾預，這是大自然的兩者（以及稅收）不可侵犯的確定性之一。也許第二定律是三分之一。
但是，無論第二種法律是否是不可侵犯的，人類法律將永遠更容易違反，這將永遠是事實。
