熵统治的世界

如果你在一个满是蚊子的房间里，你会藏在哪里？答案是靠在墙上，躲在角落里，这样就不会有蚊子从后面来，只要把蚊子放在前面就行了。《1998年物理学评论公报》发表了一项有趣的实验，作者是宾夕法尼亚大学物理和天文学系的a.d. dinsmore、d.t. wong、philip nelson和A. G. Yodh。这个实验类似于我们的蚊子事件。在实验中，几位科学家首先将一个直径只有0.474微米的“大球”放入一个微型梨容器中。通过长时间多次光学摄影，我们可以看到这个大球可以出现在这个容器中的任何地方(图1b，最亮的地方是大球所在的地方)。然后他们把许多小球(半径0.042微米)放入其中(如图1a所示)。此时，从照片上判断，大球基本上只能停留在边缘上(图1c，小球远小于可见光波长，所以看不到)。这个结果是怎么发生的？让我们仔细看看。首先，我们知道容器中的大球和小球不断地随机移动，小球也不断地从四面八方撞击大球。在每一个时刻，大球通常受到不同方向的小球的不同冲击，并且大球会由于不同的力而向某一方向移动。当大球撞击容器壁时，大球会发现没有东西会撞击容器的一侧，所有的撞击都来自另一侧。这些撞击迫使它靠在容器的边缘。实际的过程比我们这里的分析更复杂，但总体情况是一样的——大球藏在墙上，以避免小球“蚊子”的“咬”。图2。阴影部分是球的中心不能去的地方，而b和c中的黑色部分是墙的阴影部分和大球的重叠部分。从更物理的分析来看，这个结果是由于熵的影响。熵是表征系统*度的一个物理量(或者，更一般但不确切地说，是大球和小球可以*运动的范围)。因为我们的球是硬的，不会改变形状，所以在大球和墙的周围总有一些小球不能去的地方(图2中的阴影部分)，也就是说，那些地方不是小球移动的空间。当大球和墙挨着时，小球不能去的地方就有重叠。相应地，球可以去的地方变大了。那么系统的*度将变得更大。物理定律说，一个封闭系统总是倾向于具有最大熵，也就是说，封闭系统更喜欢大*度的情况。结果，由于这个规则的限制，大球跑到了容器的边缘。从统计学的角度来看，球似乎是被一个力推向墙壁的(图2b)。这种由于统一计算而产生的力叫做熵力。如果墙是弯曲的，并且不同地方的弯曲程度不同，我们还会看到大球在这种熵力的作用下沿着墙移动(图2c)。在这里，读者被提醒，这种熵力不是一个基本的相互作用，而是一个统计意义上的等效相互作用。

上述实验中讨论的物理系统属于一个叫做软物质的物理系统。1991年，诺贝尔奖得主、法国物理学家德根尼(P. G. De Gennes)将“软物质”作为他在诺贝尔奖颁奖大会上演讲的主题，用“软物质”一词来概括一类物质，如被广泛认可的复杂液体。从那时起，“软物质”一词逐渐取代了美国人所说的“复杂流体”，并开始推动一门跨越物理、化学和生物学的跨学科学科的发展。软物质，如液晶、聚合物、胶体、薄膜、泡沫、颗粒物、生命系统等。，广泛存在于自然界、生命形式、日常生活和生产中。它们与人们的生活密切相关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液、药品和化妆品等。它也广泛应用于技术领域，如液晶、聚合物等。生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白质、脱氧核糖核酸等。在我们日常的“软”概念中，主要特征是容易变形。术语“软物质”具有类似的含义。对于软物质，德根尼给出了一个重要的特征:弱力导致大的变化。在他的科普著作《软物质与硬科学》中，橡胶被作为一个例子来说明软物质的本质。纯天然橡胶乳液被氧化形成固化橡胶，但是这种橡胶非常脆弱，并且由于空气的持续氧化而容易破裂。然而，天然橡胶在硫化后变得非常耐用，不容易断裂。硫和氧一样，化学活性只比氧稍低，但它的作用却大不相同。这就是所谓的弱力引起的巨大变化。德根在书中写道:“如果你计算与硫反应的碳原子数，你会发现它只占1/200，这是一个有代表性的数字。然而，这种非常微弱的化学反应足以导致物质的物理状态从液态变成固态:从液态变成橡胶。这证明了物质的状态可以通过微弱的外部作用来改变，就像雕刻家可以通过轻轻按压拇指来改变粘土的形状一样。这是软物质的核心和基本定义。”这也可以从我们面前的大球和小球的例子中看出，微小的阴影重叠导致粒子分布非常不同。物理系统的状态可以用系统的内能和熵与温度的乘积来描述。由于内能的变化与系统的应力有关，所以在一定温度下，如果应力很小，软物质的内能变化不会很大。然而，在如此弱的力作用下，系统需要相对较大的变化，然后软物质的熵必须急剧变化。换句话说，软物质的系统变化主要是由熵引起的，或者说熵占据了主导地位。所以软物质可以被称为熵操纵物质。在熵的作用下，软材料系统中会出现许多新的行为，如原有的混沌微观系统会变得有序，复杂的蛋白质分子会折叠成特殊的结构等等。利用这些性质，我们可以制造许多具有特殊性质的软材料，它们是不可替代的硬材料。

20世纪的物理学开启了对物质世界的新认识，研究和深入理解金属、半导体、陶瓷等“硬物质”，极大地促进了技术和社会的发展。21世纪被称为生命科学的世纪。然而，任何生命结构(脱氧核糖核酸、蛋白质等。)是基于软物质。作为人类未来技术的重要组成部分和生命本身不可或缺的基石，许多新颖的行为、丰富的物理内涵和广泛的应用背景引起了越来越多物理学家的兴趣。软物质物理学已经成为物理学中一门新的前沿学科，是一个具有挑战性和紧迫性的研究方向。