《大学生必读50篇》之科技两篇

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1、科技类名著之一科技类名著之一从一到无穷大从一到无穷大科学出版社科学出版社,2007,3 第一版第一版 简介：简介：这是一部在世界范围内 具有极大影响力的科普名著，它以生动、诙谐但又不失准确、严谨的语言介绍了 20 世纪以来科学中的一些重大进展。 作者乔治伽莫夫（1904-1968） （George Gamow） ，世界著名物理学家和天文学家，科普界一代宗师。20 世纪 70 年代末，科学出版社 首度推出的由暴永宁先生 翻译的该书中文版 ，曾经在国内引起很大反响，直接影响 和启迪了众多的科技工作者。2002 年，科学出版社再度推出由吴伯泽先生根据原书 的 1988 年版进行校订修改 的新版，是为

2、科普届一大喜事。 节选自第八章无序定律之四节选自第八章无序定律之四“ 神秘神秘” 的熵（的熵（科学出版社，科学出版社，2007。3 第一第一版版） 从上面那些完全取自日常生活的计算概率的例子里，我们得知，当对象的数目很少时， 这种推算往往是不怎么灵的；而当数目增多时，就会越来越准。这就使得在描述由多得数 不清的分子或原子组成的物体时，概率定律就特别有用了，因为即使是我们接触到的顶小 的物质小块，也是由极多的分子或原子组成的。因此，对于六七个醉鬼，每个人各走上二 三十步的情况，统计定律只能给出大概的结果；而对于每秒钟都经历几十亿次碰撞的几十 亿个染料分子。统计定律却导致了极为严格的扩散定律。我们

3、可以这样说：试管中那些原 先溶解在一半水中的染料，将在扩散过程中均匀地分布在整个液体中，因为这种均匀分布 比原先的分布具有更大的可能性。完全出于同样的道理，在你坐着看这本书的房间里，四堵墙内、天花板下、地板之上 的整个空间里均匀地充满着空气。你从来没有遇到过这些空气突然自行聚拢在某一个角落， 使你窒息在椅子上这种意外情况。不过，这桩令人恐怖的事情并不是绝对不可能的，它只 是极不可能发生而已。为了弄清这一点，设想有一个房间，被一个想像中的垂直平面分成两个相等的部分。 这时，空气分子在这两个部分中最可能表现出什么样的分布呢？这个问题当然与前面讨论 过的掷钱币问题一样。任选一个单独分子，它位于房间里

4、左半边或右半边位置内的机会都 是相等的，正如掷一个钱币时，正面或反面朝上的机会相等一样。第二个，第三个，以及其他所有分子在不考虑彼此间作用力的情况下，处在房间左 半部或右半部的机会都是相等的。这样，分子在房间两半的分布，正如一大堆钱币的正反 分布一样，一半对一半的分布是最有可能的，我们早已在图84 中看过这一点了。我们还 看到，扔掷的次数越多（或分子数目越大），50%的可能性就越来越确定，当数目很大时， 可能性就变成了必然性。在一间标准大小的房间里，约有1027 个分子，它们同时聚在右半 间（或左半间）的概率为26271031010)21(即1 对。2610310另一方面，空气分子以每秒0.5

5、 公里左右的速度运动，因此，从房间一端跑到另一端 只要0.01 秒，这也就是说，在一秒钟内，屋里的分子就会进行一百次重新分布。于是，要 得到完全处于右边（或左边）的分布，需要等上10299 999 999 999 999 999 999 999 998 秒。要知道宇 宙的年龄迄今为止也只有1017秒呀！所以，安安静静地接着读你的书吧，不必担心发生突 然憋死的灾难。 再举一个例子。在桌子上有一杯水。我们知道，由于无规则的热运动，水分子会以高 速向各个可能的方向运动。但是，由于内聚力的约束，水分子不致逸出。 既然每个分子单独运动的方向完全受概率定律的支配，我们就应该考虑到这样一种可 能性：在某个时

6、刻，杯子上半部的所有水分子都具有向上的速度，这时下半部的水分子必 定都具有向下的速度。此时，在两组水分子的分界面处，内聚力是沿水平方向的，因此 不能阻挡这种“分离的一致愿望”，这时，我们将看到一个非同寻常的物理现象：上半杯 水将以子弹的速度自动飞向天花板！ 另一种可能性是水分子的全部热能偶然地集中在这杯水的上层，因而上面的水猛烈地 沸腾，下面却结了冰。那么，为什么你从来没有见过这种情景呢？这并不是绝对不可能。 而是极不可能发生。事实上，如果你试试计算一下无规则运动着的分子偶然获得相反两组 速度的概率，就会得出与全部空气分子聚集在一个角落的概率相仿的数字；同样，因互相 碰撞而使一部分分子失去大部

7、分动能、同时另外一部分分子得到这部分能量的概率，也是 小到不必理会的。因此我们实际看到的情况的速度分布，正是具有最大概率的分布。 如果某个物理过程在开始的时候，其分子的位置或速度未处于最可能的状态，例如， 从屋里的一角释放出一些气体，在冷水上面倒些热水，那么，将会发生一系列物理变化， 使整个系统从较不可能的状态到达最可能的状态。气体将均匀地扩散到整个房间，上层水 的热量将向底层传递，直到全部水取得一致的温度。因此，我们可以这样说：一切有赖于 分子无规则热运动的物理过程都朝着概率增大的方向发展，而当过程停止，即达到平衡状 态时，也就 达到了最大的概率。在屋内空气分布的那个例子中，我们已经看到，分

8、子各种分布的概率 原著说明：由于气体分子间距离很大，空间并不拥挤，所以在一定体积内虽然已有一大堆分子，却并不影响其他分子进入。 此图序号为原著图序。原著说明：一间10 英尺宽、15 英尺长、9 英尺高的房间，体积为1350 立方英尺，或5107厘米，可容5104克空气。空气分子的平均重量为301.6610-24510-23克，所以总分子数为5104/510-23= 1027。原著说明：必须考虑到，由于动量守恒定律排除了所有分子向同一方向运动的可能性，因此水分子一定是一半对一半的速度分布。往往是一些很不方便的小数字（如空气聚集在半间屋里的概率为），因此，我们2610310一般都取它们的对数。这个

9、数值称为熵，它在所有与物质无规则热运动有关的现象中起着 主导作用。现在，可将前面那些有关物理过程中概率变化的叙述改写如下：一个物理系统 中任何自发的变化，都朝着使熵增加的方向发展，而最后的平衡状态，则对应于熵的最大 可能值。这就是著名的嫡定律。也称为热力学第二定律（第一定律是能量守恒定律）。瞧，这里头并没有什么可怕的东西啊！ 从上述所有例子中，我们都可以看出，当熵达到了极大值时，分子的位置和速度都是 完全无规则地分布着，任何使它们的运动有序化的作法都会引起熵的减小。所以，熵定律 又称为无序加剧定律。熵定律的另一个比较实用的数学公式，可从研究热变为机械运动的问题中推导出来。大家记得，热就是分子的

10、无规则运动，因此不难理解，把物体的热能全 部转变为宏观运动的机械能，就等于强迫物体的所有分子都向一个方向运动。我们已经着 到，一杯水中有一半自行冲向天花板的可能性是太微乎其微了，实际上可以看作根本不会 发生。因此，虽然机械运动的能量可以完全转化为热（譬如通过摩擦），热能却永远不会 完全变成机械能。这就排除了所谓“第二类永动机” 即在室温下吸收物体热量、降低物体温度以获得能量来做功的可能性。因此。不可能设计出这样一种船，它不用烧 煤只靠把海水吸进机舱并吸收它的热量，就能在锅炉里产生蒸汽，最后再把失掉热量的冰 块扔回海里。 那么，真正的蒸汽机是怎样既不违反熵定律、同时又把热变为功的呢？它之所以能做

11、 到这两点，是由于在燃料燃烧所释放的热中，只有一部分转变成机械能，其余大部分热量或者由废气带入大气，或者被专门的冷却设备所吸收。这时，整个系统有两种相反的熵变 化：一部分热转变为活塞的机械能，这时熵会减小；其余热量从锅炉进入冷却设备， 这时熵会增大。熵定律说明，系统的总熵要增大，因此，只要第二个因素比第一个大一些就行了。我们可以这样来更好地说明这种情况：在6 英尺高的架子上，放着一个5 英磅的 重物。按照能量守恒定律，这个重物不可能在没有外来帮助的情况下，自行升向天花板。 然而，它却能向地板上甩下它自身的一部分，并用这时释放出的能量使其余部分上升。 同样，我们可以使一个系统中某一部分物体的熵减

12、小，只要这时在剩下的部分中有相 应的熵增大来补偿它就行了。换句话说，对于一些进行无序运动的分子，如果我们不在乎 其中一部分变得更无序的话，那是能够使另外一部分变得有序一些的。的确，在所有热机械的场合以及在其他许多情况下，我们正是这样做的。 点点评评 如果说把从一到无穷大 称为世界上 “最优秀、最著名 ”的科普作品时，由于 读者的层次和口味各不相同，可能需要 在句尾加上一个 “之一” ，但是说到该书的作 者乔治伽莫夫，称其为世界上 “最优秀、最著名 ”的科普作家时， 则基本不用在句 尾也累赘一个 “之一”了。据说，同为世界顶尖之最， 乔治伽莫夫曾和另一位 “最 优秀、最著名 ”的科幻作家阿瑟 克

13、拉克（注注：太空漫游太空漫游四部曲作者，四部曲作者，无无线线电电专专家家， 利利用用地地球球同同步步卫卫星星来来实实现现全全球球通通信信和和广广播播 设设想想的的提提出出者者） ，为了不再在究竟谁才是世 界第一的问题上浪费口舌，曾在纽约的地铁里达成协议，俩人划江而治，由乔治伽 莫夫领衔世界最佳科普作家，而阿瑟 克拉克则做世界最棒科幻作家魁首。乔治伽莫夫 1904 年生于俄国敖德萨市。 1928 年获苏联列宁格勒大学物理学博 士学位。先后在丹麦哥本哈根大学和英国剑桥大学（师从著名物理学家玻尔和卢瑟福）， 以及列宁格勒大学、巴黎居里研究所、密执安大学、华盛顿大学、加利福尼亚大学伯克利分校、科罗拉多

14、大学从事研究和教学工作。1968 年卒于美国科罗拉多州的博尔德。伽莫夫兴趣广泛，曾在核物理研究中取得出色成绩，并与勒梅特一起最早提出了天 体物理学的 “大大爆爆炸炸”理论，还首先提出了生物学的 “遗传密码”理论。他也是一位杰出 的科普作家，正式出版 25 部著作，其中 18 部是科普作品，多部作品风靡全球，从 一到无穷大 更是他最著名的代表作，启迪了无数年轻人的科学梦想。1956 年荣获 联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。 所以，我们甚至可以这么说，得过诺贝尔奖 的物理学家很多，被公认为 “最牛科普作家 ”的物理学家 却只有伽莫夫一个 。不同于传统的科普著作按主题来分类写作， 在从一到无穷大

15、 中，伽莫夫以大 家手笔，用看似信手拈来的方式，把数学、物理学乃至生物学的许多内容有机地融合 在一起，向读者传达了 科学的思考方法，并在展现科学 精神和科学品位的同时，始 终贯穿着一种人文的观念。在本文所节选的段落中，伽莫夫以生动形象、风趣幽默的笔法，将“熵”这一热 力学和信息论中最为重要而又颇为艰涩的概念解释得深入浅出，令读者在莞尔一笑中茅 塞顿开。有人说， 从一到无穷大 似乎在中学生必读书目也偶有见到，作为大学生必读书 籍推荐会不会略失浅显？其实，正如 孙子兵法 、 三国演义们从来没有拒绝过中 学、小学读者，对于名著的把握，不同素养、不同经历的读者所能体会和学习到的东西 是完全不同的。要真

16、正、完全读懂 从一到无穷大 ，深刻理解书中科技思想的奥妙， 没有足够的知识功底和高端的思考能力是根本不可能的。所以，当很多大学教授、博 导都在感叹重读 从一到无穷大 仍然感悟颇深时，大学生读者首读或反复阅读此书 肯定可谓正当时 ，必可受益匪浅 。链接一链接一 第二类永动机第二类永动机由于与热力学第一定律也就是能量守恒定律直接违背，那种企图制造一种不需要外界提供能量，却能不断地对外做功 的机器，也就是第一类永动机的念头渐渐被人们抛弃 。但是又有人提出设计一 种能从单一热源取热 ，例如从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器 ，也就是第二类永动机 。有人曾计算过，地球表面有 10 亿立方千米的海水， 如果以海水作为单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25 度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能 ，足够全世界使用一千年。但是这一“美妙”的想法直接与热力学第二定律也就是熵增定律相违背，因为“熵定律 说明，