熵论文文献
任何信息都存在冗余,冗余大小与信息中每个符号的出现概率或者说不确定性有关。
信息熵用于解决对信息的量化度量问题,描述信源的不确定度。
香农第一次用数学语言阐明了概率与信息冗余度的关系。
通常一个信源发送出什么符号是不确定的,衡量它可以根据其出现的概率来度量, 概率大,出现的机会多,不确定性小; 反之不确定性大 。
不确定函数f应该
1、满足概率P的减函数。
2、两个独立符号所产生的不确定性应该等于各个不确定性之和,即f(P1,P2)=f(P1)+f(P2),这称为可加性。
同时满足这两个条件的函数f为对数函数。
eg.
由例子:
在信源中,考虑的不是某一个单一符号发生的不确定性,而是考虑这个信源所有可能发生情况的平均不确定性。若信源符号有n种取值:U1,U2,U3……Un对应概率为:P1,P2,P3……Pn,各种符号出现彼此独立。这时信源的平均不确定性应当为 单个符号不确定性的统计平均值E ,则称为 信息熵 。
式中对数一般取2为底,单位为比特。但是也可以取其他对数为底,采用其他相应的单位,他们之间可用换底公式转换。
最简单的单符号信源仅取0和1两个元素,即二元信源,其概率为P和Q=1-P,该信源的熵如图。
1、非负性:即收到一个信源符号所获的的信息量应为正值。
2、对称性:对称与P=
3、确定性:H(1,0)=0,即P=0或P=1是确定状态,所得信息量为0
4、极值性:因H(U)是P上的上凸函数,且一阶导在P=时等于0.所以P=时H(U)最大。
(对于连续信源,香农给出了形式上类似于离散信源的连续熵Hc(U),虽然连续熵仍具有可加性,但不具有非负性。但是在表达信源差距时,仍然具有非负性,这与力学中势能的定义相仿。)
信息熵参考文献
如果给定长度为n的 随机变量序列 ,那么这个序列的熵随n如何增长?所以引入 熵率 。
当以下极限存在时候,随机过程{Xi}的熵率定义为:
eg
打字机 可以等可能输出m个字母,由此打字机产生长度为n的序列k。
则序列k的 信息熵
熵率 为
该打字机的熵率为常数(即单个字符的信息熵),所以没增加一个字符,他的熵增加量是恒定的。
( 归纳 :对于独立同分布的随机变量,熵率就等于其单个变量的熵)
但是,对一些 独立但非同分布 的随机变量序列,因为对每个元素的熵是不相等的,所以极限不存在。
此时可以定义熵率的一个相关量(如果下列极限存在):
H和H‘这两个量反映了熵率概念的两个不同方面。第一个量指的是n个随机变量的每字符熵,第二个变量指在已知前面n-1随机变量的情况下最后一个随机变量的条件熵。
对于 平稳随机过程 ,H与H’均存在极限,并且相等。
对于 平稳随机过程 , H‘ 存在极限,并随n递减。
描述了功率谱和熵率之间的关系
这是一段白噪声,在中间加入了正弦信号。
对这段信号计算spectral entropy(谱熵),可以容易发现,中间含有正弦信号的区域,谱熵明显降低。这是因为正弦信号的信息的出现使得这段信号的不确定性下降了。
参考资料:matlab求熵函数官方文档
可以看出,噪声的信息不确定性要明显高于语音信号。
在概率论或者信息论中,KL散度又称为相对熵(relative entropy),是描述两个概率分布P和Q差异的一种方法。它是非对称的,这意味着它是非对称的,即D(P||Q) ≠ D(Q||P)。
特别的,在信息论中,D(P||Q)表示当用概率分布Q来拟合真实分布P时,会产生的信息损耗,其中P是真实分布,Q表示P的拟合分布。
KLD是非负的。
将离散型KLD公式展开
参考资料-KL散度
参考文献是对小学科学论文引文进行统计和分析的重要信息源之一,对于小学科学论文起着重要的作用。下面是我带来的关于小学科学论文参考文献的内容,欢迎阅读参考! 小学科学论文参考文献(一) [1] 董保良,张国辉,李鑫,李晓燕,杨新旺. 基于信息熵的指挥信息系统效能评估研究[J]. 电子世界. 2013(15) [2] 孙国强. 浅谈出入口控制系统的建设、使用与发展[J]. 中国公共安全. 2013(15) [3] 李爱民. 中国半城镇化研究[J]. 人口研究. 2013(04) [4] 王赐江. 群体性事件现实考察与学理分析--从三起具有“标本意义”的群体性事件谈起[J]. 中国社会公共安全研究 报告 . 2013(01) [5] 冯文林,帅娟,姚红,邓波,魏莲芳,汪小林,冯荣. 四川特种行业治安管理创新调查研究报告[J]. 四川警察学院学报. 2013(01) [6] 李林. 中国法治的现状、挑战与未来发展[J]. 新视野. 2013(01) [7] 徐田坤,梁青槐,任星辰. 基于故障树模型的地铁750V牵引供电 系统安全 风险评估[J]. 北京交通大学学报. 2012(06) [8] 黄毅峰. 转型期中国群体性事件的征象考察与调控路径分析[J]. 成都理工大学学报(社会科学版). 2013(04) [9] 苗强,张文良,宗波,步立新,尹洪河,方忻. 核电站实物保护系统有效性评估 方法 研究工作进展[J]. 中国原子能科学研究院年报. 2012(00) [10] 王华安. 大安防时代:需要多元化发展战略[J]. 中国公共安全. 2013(12) [11] 何穆. 某大学图书馆安全防范系统设计[J]. 建筑电气. 2013(05) [12] 张苏. 司法中的量刑分析与操作--以石柏魁故宫盗窃案为例[J]. 中国检察官. 2013(10) [13] 杜治国,赵兴涛,李培岳. 美国安全管理专业解析[J]. 中国人民公安大学学报(自然科学版). 2013(02) [14] 唐海. 个性化概念图在网络自主学习中的应用研究[D]. 武汉大学 2010 [15] 杜治国,赵兴涛,李锦涛. 安全防范系统效能评估仿真模型研究[J]. 中国人民公安大学学报(自然科学版). 2012(01) [16] 朱随江,刘宝旭,刘宇,姜政伟. 有环攻击图中的节点风险概率算法[J]. 计算机工程. 2012(03) [17] 李秀林,李辉. 《安全防范系统运行检验规范》浅析[J]. 中国安防. 2012(Z1) [18] 李晓建. 基于语义的个性化资源推荐系统中关键技术研究[D]. 武汉大学 2010 小学科学论文参考文献(二) [1] 赵荣生. 车辆核材料检测装置的研制[J]. 中国原子能科学研究院年报. 2003(00) [2] 王国华,陈敬贤,梁梁. 系统评估研究现状及发展评述[J]. 现代管理科学. 2011(10) [3] 陈合权,魏莲芳. 论视频监控系统在公安工作中的应用[J]. 湖北警官学院学报. 2011(05) [4] 张旺勋,龚时雨,李康伟. 装备系统可靠性维修性保障性仿真策略研究[J]. 计算机仿真. 2011(09) [5] 魏莲芳. 当前群防群治工作存在的问题及对策探究[J]. 湖北警官学院学报. 2011(03) [6] 潘科,王洪德,石剑云. 多级可拓评价方法在地铁运营安全评价中的应用[J]. 铁道学报. 2011(05) [7] 吕海涛. 安全防范系统效能评估关键技术研究[D]. 武汉大学 2014 [8] 鲍君忠. 面向综合安全评估的多属性专家决策模型研究[D]. 大连海事大学 2011 [9] 孙爱军. 工业园区事故风险评价研究[D]. 南开大学 2011 [10] 郭熹. 基于风险熵模型的安防系统风险与效能评估技术研究[D]. 武汉大学 2011 [11] 邬长城. 安全管理体系质量评估方法研究[D]. 中国矿业大学(北京) 2012 [12] 孙亚华,李式巨,李彬. 核电站实物保护系统的量化评估[J]. 核动力工程. 2009(01) [13] 陈志华. 试论安全防范系统的效能评估[J]. 中国人民公安大学学报(自然科学版). 2006(04) [14] 魏莲芳,陈志华. 浅谈安防系统中的风险评估[J]. 中国安防产品信息. 2005(04) [15] 徐哲,贾子君. 基于仿真的武器装备研制系统性能风险评估[J]. 系统工程与电子技术. 2011(04) [16] 吴穹,闫黎黎. 企业安全防范系统风险评价模式研究[J]. 安防科技. 2010(10) [17] 易光旺. 智能建筑安全防范系统的评价指标体系研究[J]. 中国 安全生产 科学技术. 2010(03) [18] 陈志华. 评估城市社会治安动态防范系统效能 促进城市监控报警联网系统应用建设[J]. 中国安防. 2009(12) 小学科学论文参考文献(三) [1]刘文帅.关于暗物质与暗能量统一的研究[D].云南师范大学2014 [2]梁周昌.怒江少数民族地区高中物理合作学习教学的实践研究[D].云南师范大学2014 [3]张云.focusonform对中学 英语口语 课堂教学的意义[D].华东师范大学2009 [4]赵婧.乌海市高中英语课堂 文化 教学现状的调查与 反思 [D].内蒙古师范大学2012 [5]赵瑶瑶.复数的历史与教学[D].华东师范大学2007 [6]潘婧.高中英语课堂中文化教学现状的调查[D].东北师范大学2010 [7]赵瑶瑶.复数的历史与教学[D].华东师范大学2007 [8]祝露.高中写作教学设计探究[D].海南师范大学2013 [9]李玉飞.计算机辅助语言教学在初中英语教学中的应用调查研究[D].河南师范大学2013 [10]卫晓丽.中外籍教师在高中英语教学中教学风格的调查研究[D].山西师范大学2013 [11]莫雷主编. 教育 心理学[M].广东高等教育出版社,2002 [12]冯忠良等着.教育心理学[M].人民教育出版社,2000 [13]杨治良,罗承初编写.心理学问答[M].甘肃人民出版社,1986 [14]江桂苹.高中英语教学中的西方文化渗透研究[D].哈尔滨师范大学2012 猜你喜欢: 1. 教育学论文参考文献 2. 关于小学科学教育相关论文 3. 关于小学科学教育研究论文 4. 关于小学科学教学论文 5. 小学科学方面的论文 6. 小学科学论文1000字
毕业论文熵值法
是的,随着社会的发展、科学的进步及我们研究问题的复杂性越来越高,传统的熵值法已经不能完全满足研究论文的需要,需要进行其他探讨。
什么是熵权法 德国物理学家holtman和Clausius在1864年共同研究出热力学并合作编写了《热之唯动说》,一个与物理量有关的新术语是 “熵”,主要是用于描述系统状态。之后,美国数学家Shannon发现熵能够体现不确定性,对以往“熵”研究进行了拓展。熵理论不仅可以应用于力学,还被用于其他领域。目前信息熵已经是计算“不确定性”的最好方法。 熵权法是熵理论的一个组成部分,利用熵对制造企业转型和技术能力评价指标体系的所有定量信息中的随机变量进行度量。我们根据熵中的信息量获得每个度量的权重。熵值越大,信息量越小,指标对整体的影响越小。对比熵法和主观分配法,可以看出这种方法独立于个体意识,是一种更准确判断特定变量对整体影响程度的方法。研究人员可以根据指标影响程度的结果进一步优化指标体系。熵权法可以在任何需要确定权重的过程中单独使用,也可以与其他数学方法结合使用。因此,熵权加权法常用于对一个公司的能力或业绩进行综合评价。 熵权法的基本原理 根据信息论基本原理的解释,信息是系统有序度的度量,熵是系统扰动程度的度量。根据信息熵的定义,给定指标,熵值可以用来评价给定指标的方差程度。如果所有指标值都相同,则该指标对整体评价没有影响。因此,可以利用信息熵工具计算各个指标的权重,为综合评价多个指标提供依据。 熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。一般来说,若某个指标的信息熵Ej越小,表明指标值得变异程度越大,提供的信息量越多,在综合评价中所能起到的作用也越大,其权重也就越大。相反,某个指标的信息熵越大,表明指标值得变异程度越小,提供的信息量也越少,在综合评价中所起到的作用也越小,其权重也就越小。 熵权法赋权步骤 1. 数据标准化 将各个指标的数据进行标准化处理。 假设给定了k个指标X1,X2,……,Xk,其中: 假设对各指标数据标准化后的值为Y1,Y2,Y3...YK:,那么 2. 求各指标的信息熵 根据信息论中信息熵的定义,一组数据的信息熵 其中: 如果: 则: 3. 确定各指标权重 根据信息熵的计算公式,计算出各个指标的信息熵为E1,E2,E3...EK,通过信息熵计算各指标的权重: 综上所述,熵值法的优点是可以为能力进行一种客观的权重赋能方法,它深刻地反映了一个指标的内在力量,比监督者的权重具有更高的可靠性和准确性。该算法虽然简单,但存在诸多不足,如不够智能,未考虑指标及其影响,像是相关性、层级关系等。在缺乏业务指导经验的情况下,权重依赖于失真的样本。如果样本不断变化,权重会有一定的波动。因此,在考虑选择熵权加权方法进行分析研究时,需要考虑方法的适用范围。反之,如果权重失真频繁发生,则需要结合专家评分和判断,以最大限度地发挥熵方法的优势。同时,在确定权重之前,需要了解指标对目标得分的影响方向,并对非线性指标进行预处理或去除。
熵值法知网论文
楼主你好对于你的问题 容我一个个的给你回答!:handshake如果标准化出现负值该如何处理?用SPSS对数据进行标准化处理后有负数是很正常的,因为SPSS数据标准化通常是用标准分来做的,标准分就是用原来的数减去数据的平均数除以标准差得到的,肯定有负数的。我查到的结果是,负数的结果不需要处理。影响结果不大
正巧我导师的课题用到熵值法。熵值法属于一种客观评价方法。何为“评价方法”呢?即对所研究的变量的重要性进行赋值并排序,从而评价不同指标对所研究对象可能的影响大小。何为“客观”呢?即熵值法是通过特定数学步骤得到数据的有序性(计算其熵值),不因人的主观意愿而改变。与此相对应的自然有“主观评价方法”,例如专家打分法就是很明显的主观评价方法,是由专家组成打分小组来减少对数据重要性的偏见。我们通常在论文中所见“绩效评价”、“XX能力评价”、“XX水平评价”的研究很可能会遇到这些评价方法。那么什么是计量经济学方法呢。最简单的OLS普通最小二乘是计量经济学方法的典型,也是基本方法。它通过定义变量和回归模型、经由数学假设和论证来得到不同变量间的关联方式,如:技术发展能力,可能受到经济因素、文化因素、技术交流程度等影响,选择合适指标对这些变量进行赋值(如可以用人均受教育年限表示文化因素),将各指标数据带入OLS计算步骤,假设得到的结果为:技术发展能力=a经济因素+b文化因素+c技术交流程度+d我们可以说,其他变量不变时,当经济指标上升1%,可以引起技术发展能力提高a%。换句话说,计量经济学方法研究某一些变量对另一变量的影响,要求同时具备自变量、因变量和其他数学前提。熵值法研究某一体系下所选定的一系列变量重要性的排序(权重),且是相对排序,不要求因变量的存在,在同一体系下任意删、增、改变某变量就可能引起变量权重的变化。两种方法不矛盾、也不互相包含,两者发挥的作用不同,可以在一篇论文中同时使用。我们可以用熵值法评价某一体系的得分,再用该得分去求取一个OLS方程中该体系受影响的程度。以上回答只是粗略解释了两种方法的基本含义,但要实际用到论文中还需题主深入学习。
什么是熵权法 德国物理学家holtman和Clausius在1864年共同研究出热力学并合作编写了《热之唯动说》,一个与物理量有关的新术语是 “熵”,主要是用于描述系统状态。之后,美国数学家Shannon发现熵能够体现不确定性,对以往“熵”研究进行了拓展。熵理论不仅可以应用于力学,还被用于其他领域。目前信息熵已经是计算“不确定性”的最好方法。 熵权法是熵理论的一个组成部分,利用熵对制造企业转型和技术能力评价指标体系的所有定量信息中的随机变量进行度量。我们根据熵中的信息量获得每个度量的权重。熵值越大,信息量越小,指标对整体的影响越小。对比熵法和主观分配法,可以看出这种方法独立于个体意识,是一种更准确判断特定变量对整体影响程度的方法。研究人员可以根据指标影响程度的结果进一步优化指标体系。熵权法可以在任何需要确定权重的过程中单独使用,也可以与其他数学方法结合使用。因此,熵权加权法常用于对一个公司的能力或业绩进行综合评价。 熵权法的基本原理 根据信息论基本原理的解释,信息是系统有序度的度量,熵是系统扰动程度的度量。根据信息熵的定义,给定指标,熵值可以用来评价给定指标的方差程度。如果所有指标值都相同,则该指标对整体评价没有影响。因此,可以利用信息熵工具计算各个指标的权重,为综合评价多个指标提供依据。 熵权法的基本思路是根据指标变异性的大小来确定客观权重。一般来说,若某个指标的信息熵Ej越小,表明指标值得变异程度越大,提供的信息量越多,在综合评价中所能起到的作用也越大,其权重也就越大。相反,某个指标的信息熵越大,表明指标值得变异程度越小,提供的信息量也越少,在综合评价中所起到的作用也越小,其权重也就越小。 熵权法赋权步骤 1. 数据标准化 将各个指标的数据进行标准化处理。 假设给定了k个指标X1,X2,……,Xk,其中: 假设对各指标数据标准化后的值为Y1,Y2,Y3...YK:,那么 2. 求各指标的信息熵 根据信息论中信息熵的定义,一组数据的信息熵 其中: 如果: 则: 3. 确定各指标权重 根据信息熵的计算公式,计算出各个指标的信息熵为E1,E2,E3...EK,通过信息熵计算各指标的权重: 综上所述,熵值法的优点是可以为能力进行一种客观的权重赋能方法,它深刻地反映了一个指标的内在力量,比监督者的权重具有更高的可靠性和准确性。该算法虽然简单,但存在诸多不足,如不够智能,未考虑指标及其影响,像是相关性、层级关系等。在缺乏业务指导经验的情况下,权重依赖于失真的样本。如果样本不断变化,权重会有一定的波动。因此,在考虑选择熵权加权方法进行分析研究时,需要考虑方法的适用范围。反之,如果权重失真频繁发生,则需要结合专家评分和判断,以最大限度地发挥熵方法的优势。同时,在确定权重之前,需要了解指标对目标得分的影响方向,并对非线性指标进行预处理或去除。
高熵合金论文的参考文献有哪些
肯定不行,不是所有的都能融到一起的
高熵合金新材料投《自然》期刊又快又容易。高熵合金具有N个元素和组成{Cν=1,N}的竞争性晶体结构,为独特的化学和力学性能提供了巨大的设计空间。来自美国艾奥瓦州立大学美国能源部艾姆斯实验室的等研究者,为了实现计算设计,使用了一种元启发式杂化布谷鸟搜索(CS)来动态构建合金构型模型,该模型具有目标原子位置和任意晶格上的配对概率,由超胞随机近似(SCRAPs)与S位给出。而《Nature》杂志1869年创刊于英国,是世界上最早的国际性科技期刊,涵盖生命科学、自然科学、临床医学、物理化学等领域。自成立以来,始终如一地报道和评论全球科技领域里最重要的突破,影响因子(17年数据)。其办刊宗旨是将科学发现的重要结果介绍给公众,让公众尽早知道全世界自然知识的每一分支中取得的所有进展。故高熵合金新材料投《自然》期刊又快又容易。
不可行,有很多是溶不在一块的,
不行的,很多金属不能互溶,不过你这种思想也是比较有想法的
把很多金属互溶(5种以上),会形成高熵合金,拥有许多独特的性能,不过研究还处于起步阶段
关于宇宙熵的研究论文
关于宇宙的起源,科学界的主流观点认为,宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。有始便有终,人终有一死,死亡不仅仅是生命才存在的特有现象,万物都有终结,太阳在几十亿年后会走向死亡,宇宙终有一天也会死亡。
那宇宙究竟会以什么方式结束呢?宇宙未来的命运将会走向何方?
关于这个问题,科学家现在已经有了初步的答案,普遍认为宇宙的终极命运将会是以下三种方式中的其中一种。
宇宙的终极命运是现代物理学研究的最重要的问题之一,根据科学家的分析,宇宙未来会走向何方,主要取决于暗能量及宇宙的空间几何结构,并由此诞生了三大假说:大撕裂、大冻结和大坍缩。
关于宇宙的空间几何结构,科学家认为存在三种可能性:平坦、闭合和开放,分别类比于平面、球面和马鞍面。
学过广义相对论的都知道,有质量的物质能够弯曲时空,影响时空的几何结构。研究发现,宇宙中占比最多的物质不是由原子构成的普通物质,而是暗能量和暗物质。根据质能方程,质量和能量本质上没有区别,是物质存在的不同形式。若以质能总量来计算,目前已知宇宙中暗物质约占24%,暗能量约占71%,普通物质约占5%。
暗物质究竟由什么粒子构成,目前不得而知,但这种物质不参与电磁相互作用,也就是说我们通过电磁波看不见它。不过,普通物质和暗物质都能够产生引力。
至于暗能量,就更加神秘了,这种物质我们肉眼不可见,但它却在宇宙中均匀弥漫分布,是一种带有负引力性质的物质。引力能让两个物体相互吸引靠近,而这种负引力则具有斥力属性,在宇宙大爆炸138亿年之后,宇宙还在加速膨胀,就是源于暗能量的作用。
关于暗能量的性质,科学家们通常用压强与密度之比的状态方程来刻画。现阶段,不同暗能量模型下的暗能量状态方程不同,有些模型下状态方程是不随时间变化的,而有些模型下状态方程是随时间变化的。
1,大撕裂假说
科学家认为,如果暗能量的密度随着时间的增加而增加,它将使宇宙的膨胀速度越来越快,最终宇宙中的所有物质甚至时空本身都会被逐渐撕裂,最终只剩下不受束缚的基本粒子和辐射。
“大撕裂”之所以排第一,就是因为宇宙现在受暗能量的影响正在加速膨胀。探测器发回的数据显示,距离每增加326万光年,宇宙空间中那些遥远星系远离我们的速度大约就会增加“74公里每秒”。
而在上世纪90年代发现暗能量之前,物理学家们普遍认为因大爆炸而产生的宇宙膨胀正在减缓甚至停止。不过后来通过对数量众多的超新星的观测,科学家终于发现宇宙膨胀其实正在加速。而且,相对于以往的膨胀速度,宇宙现在正以过山车式的速度膨胀。研究显示,这种加速膨胀的过程大约始于50亿年前。
2,大冻结假说
大冻结也被称为“热寂”,在这种状态下,宇宙温度趋近绝对零度(零下摄氏度),生命都将不复存在,宇宙中的万物将停止运转,整个宇宙将陷入一片黑暗。
该理论认为,宇宙应该是一个孤立封闭的系统,由于宇宙中的熵(系统的无序程度)一直在增加,宇宙最终会演化到一种热力学平衡的状态。此时,宇宙中的熵达到了最大值。当熵达到它的最大值时,宇宙中的所有能量将均匀地分布在整个宇宙空间内,同时宇宙温度也趋近(但并不能达到)绝对零度。在这种极端低温条件下,万物的运动变化几乎趋于静止,生命自然也就不存在了。
由于暗能量的性质尚不明确,宇宙未来可能是先发生大冻结,再进入大撕裂;亦或是进入其中一种命运。
3,大坍缩假说
前面说到宇宙正在加速膨胀,部分科学家认为,如果暗能量的密度会随着时间的增加而减小,未来引力将成为占据支配地位的力量,那么宇宙将会停止膨胀并收缩,最终导致星系乃至万物开始坍塌,收缩到一个很小的空间范围内。
然而在坍缩之后又将发生什么?科学家们推测出了其中一种可能,认为随着宇宙不断的坍缩,甚至是加速坍缩,宇宙很有可能会回到它的初始状态,并再一次发生大爆炸。
如果宇宙真的会以这种方式结束,那么或许正应验了很多人的想法,人死后会回归大自然,成为新生命的养料,宇宙也会在“大爆炸”和“大坍缩”之间循环往复。
不过,目前的观测数据并不支持“大坍缩”假说。
除了上面所说的三种假说,关于宇宙的终极命运,比较著名的还有‘大吞噬’假说。
该理论认为,宇宙中的黑洞会逐渐吞噬掉宇宙中的一切,并且大黑洞不断吞噬小黑洞,最终整个宇宙就只剩下一个大黑洞,或者说整个宇宙成为了一个超级黑洞。
不过,这种假说我认为根本不可能发生。因为黑洞不是贪吃蛇,它不会在宇宙空间中到处乱跑,它只会吞噬掉进它视界内的物质,黑洞周围的物质只要距离它足够远,且围绕着它运转的速度较快,就不会掉进去。况且,黑洞并不是只进不出的,而且现在宇宙正在加速膨胀,相距较远的两个黑洞,根本不可能出现互相吞噬的情况,别说吞噬万物了。
说了这么多,这些都只是假说,我们也不必太为宇宙的终极命运担心,毕竟人类进入文明 社会 才不到1万年,科学发展还很有限,对宇宙的认知也很有限。就算是最有可能的大撕裂,科学家们也不敢完全确定。
对于宇宙的寿命,在2018年的时候,一个国际研究团队发表论文称,通过对暗物质和暗能量的分析后得出结论,宇宙可能会一直膨胀下去,宇宙的寿命至少还有1400亿年。
这么长的时间,如果人类的发展能够持续下去,不灭绝、不倒退,究竟能够进入到什么水平的 科技 文明呢?简直不可想象。如果只有一个宇宙,那么人类不管如何发展,最终都抵挡不住大趋势。扭转宇宙的命运,我们或许办不到,但如果真的存在其它宇宙,或许未来的人类能够通过某种技术手段到达那里,以延续人类文明的火种。
1842年确立了能量守恒与转换定律,人们认识到热不是流体,不存在“热质”或者“热素”等东西,热是组成物体的大量的粒子无规则运动的宏观表现,热只是能量的一种形式,热和功可以相互转化。
这就向人们提出一个问题,能量守恒与转换定律和卡诺定理之间是否存在矛盾:能量守恒与转换定律指出,能量既不会创生,也不会消灭,只能从一种形式转化为另一种形式。也就是说,功可以转变成热,热也可以转变成功,这不违背能量守恒定律。卡诺定理却向人们表明:热不能全部转变成为功,当热量从高温热源流向低温热源时,热不能自动地全部转变成功。由此可见,虽然自然界中违背能量守恒与转换定律的过程不可能发生,但是满足能量守恒与转换定律的过程却并不一定都能实现。
克劳修斯在考察了大量的能量转化现象后,将能量转化分为两类:一类是在没有外界干预,无需任何补偿的情况下,能够自行发生的转变,例如摩擦生热、气体真空膨胀、热从高温热源到低温热源的传递等,克劳修斯将这种类型的转变称为正转变;另一类是必须在外界干预或补偿的条件下才能实现的转变,这些过程不能自动发生,例如热变为功、气体压缩、热从低温向高温的传递等,克劳修斯称之为负转变。要使负转变发生,必须伴随着正转变一同发生。
克劳修斯还发现,负转变就是正转变的逆过程,正转变可以自发进行,而负转变不能自发进行,即正转变是一种不可逆的变化。
克劳修斯为了研究正、负转变的数量、度量不可逆性,花了15年的时间进行研究。19世纪中叶,由于引入了“热功当量”,使热力学第一定律(包括热现象在内的能量守恒定律)有了数学解析表达式。这给克劳修斯一个有益的启示,应该寻找一个“转变含量”或者“变换容度”,把不同形式的转变相互比较,从而使热力学第二定律定量化。
克劳修斯从热变换理论着手,在计算变换的“等价量”中提出了熵,熵的变化规律表征了不可逆过程的共同特征。他于1857年发表《论热运动的类型》的文章,以十分明晰和使人信服的推理,建立了理想气体分子模型和确定压强公式,引入了平均自由程的概念。汤姆逊在1852年发表的论文——《论自然界中机械能散失的一般趋势》中,导出结论:在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度趋于平衡,最终导致所有物体的工作能力减小到零,达到“热寂”状态。
1865年,克劳修斯又写道:“如果在宇宙发生的全部状态变化中,一个确定方向的变化在量上总是超过相反方向的变化,那么宇宙的全部状态必定愈来愈多地按第一种方向变化,因而宇宙必然逐渐趋于一个终态。”在这篇论文的结尾,他利用能和熵这两个概念,非常精练地把热的动力理论的两条基本原理表述为:“宇宙的能量恒定不变”,“宇宙的熵趋于一个极大值”。1867年,在《关于热的动力理论的第二原理》的演讲中,他又进一步提出:“我们应当导出这样的结论,即在所有一切自然现象中,熵的总值永远只能增加,不能减少。因此,对于任何时间、任何地点所进行的变化过程,我们得到如下所表示的简单规律:宇宙的熵力图达到某一个最大的值。”他继续说道:“宇宙越接近于其熵的最大值的极限状态,它继续发生变化的可能就越小;当它最后完全到达这个状态时,也就不再出现进一步的变化了,于是宇宙就将永远处于一种惰性的死寂状态。”在克劳修斯看来,宇宙现在处于不平衡状态,而任何不平衡状态总是要在有限时间内达到平衡状态的。
随着熵的无限增加,一切其他的运动形式(机械的、光的、电磁的、化学的、生命的)都将最终转化为热运动,热量又不断从高温处向低温处放散,最终达到处处温度均衡,于是宇宙便进入一切运动过程都终止的“热寂”状态。
克劳修斯这一论断是否正确呢?在科学界引起了许多争论。格林、兰金、台特、普列斯顿等人曾举出了一些与克劳修斯原理相矛盾的例子。但是克劳修斯等证明了这些反对意见的错误性,并进一步断言不可能找到与第二定律相矛盾的过程。尽管如此,一些物理学家还是认为,把在与宇宙的发展相比是极短暂的时间内,以地球上的实验为根据建立的原理,推广到整个宇宙,这是不足凭信的。他们还指出,第二定律的绝对适用性意味着从实质上消灭了第一定律,因为不能转化的能量就不是能量。
另一种意见认为热力学第二定律本身就蕴含着运动要逐渐消灭的思想,因为承认自然过程的不可逆性,必然要否认过程向相反方向的转化,这就会导致运动消灭的结论。因此,要批判“宇宙热寂论”,必须首先否定热力学第二定律,否定自然过程的不可逆性。这种看法是缺乏充分科学根据的,因而是不正确的。“宇宙热寂论”并不是热力学第二定律的必然结论,而是对热力学第二定律的反科学的推论。事实上,热力学第二定律和其他已发现的许多自然科学规律一样,也有其特定条件,因而是有局限性的,只是在一定领域里才适用。
热力学的进一步发展表明,熵增加原理也可以推广到初态和终态不处于完全平衡态的情况,但是必须不远离平衡态,而宇宙则是一个远离平衡态的无限系统。
另外,一个孤立系,必然满足绝热的条件,所以也可以说:孤立系中熵不能减少。但是,孤立系是全脱离了外界环境的系统,而世界上的事物都是互相联系着的,根本没有绝对的孤立系统。热力学的孤立系,只是一种抽象假想,在实际上只能在小的空间范围和短的时间内近似地得到体现。这时系统所受到的外界的影响还是存在的,只是小得可以忽略或总的影响近似地被消除而已。比如,在不长的时间内,一只暖水瓶里的系统就可以看做是一个孤立系,但它并不是一个真正的孤立系。很显然,这种作为抽象概念的孤立系同整个宇宙在本质上是根本不同的,不能把由此得出的适用于局部范围现象的结论应用于整个宇宙。
所以,热力学第二定律所揭示的熵增加过程,只是无限多样的运动过程的一个局部表现,只是在一定条件下、有限范围内和热运动有关的宏观物质运动的一个特殊规律;它既不适用于微观世界,也不能外推到宇宙范围。“宇宙热寂论”正是形而上学地把热力学第二定律当做宇宙的普遍规律而走向了谬误。
按照辩证唯物主义的基本原理,宇宙中导致物质和能量逸散的过程必然与导致物质和能量集中的过程不可分割地联系着。在一定条件下熵要增加,能量要发散,而在另一些条件下熵则减小,能量则集结。
近几十年来,人们通过天文观测了解到:各种天体无不处在聚集和分散、塌缩和爆发、生成和死亡的不断转化之中。年老的星体渐渐冷下去,年轻的星体正在热起来,宇宙空间丝毫没有走向热平衡的趋势。这些事实表明,在宇宙中,热并不是单一地由高温物体向低温物体发散而使宇宙体系走向热寂状态,而是到处发生着热不断放散和热重新集结的转化过程。
近些年来,天体物理学中发展起来的“黑洞”理论认为,质量大体相当于三个太阳质量的那些恒星,在其晚年将会由于强大的引力作用而自动地收缩下去,这种无限引力塌缩的结果将形成“黑洞”。它的强大引力会把一切掉进去的物质和辐射吞下去,即使有巨大速度的光线也只能进不能出。于是它就形成一个封闭的视界,不再有任何光或物质的信息从它的表面上发送出来,外界观察者将不可能获得有关视界内的任何信息,所以它是黑的,“黑洞”的名称就是这样来的。按照这个理论,大质量的天体系统在其晚期演化中总免不了要成为黑洞。近年来关于中微子也具有质量的发现,使我们所观测到的这部分宇宙的平均物质密度大大增加了,因而其引力作用也比人们原来估计的要大得多。因此,虽然我们观测范围大约在150亿光年以上的宇宙体系目前正在膨胀,但终归有一个时候要在其内部引力的作用下转变为收缩的。这种收缩一旦开始,就势必向无限塌缩进行下去。从这个意义上说,我们也是处在一个黑洞之中。
当然,这还只是个粗略的揣摩。随着自然科学的进展,对于放射到太空中的热,如何重新集结和活动起来的问题,必定会获得解决。那时,包括热力学在内的整个科学理论,也将获得重大的进展。
生活中的热学现象
热学现象是自然界和生活中广泛存在的一种现象,它和人们的生活息息相关。为什么在冬春季节里风会从乡下吹向大城市?为什么地球上的气温在近年来会逐步升高?为什么冬天穿棉袄或羽绒服会感到非常暖和呢?为什么因纽特人住在冰雪制成的房间里会起到保暖的作用……
在不了解热学基本原理之时,人们会觉得这些现象非常神秘。实际上,这一切现象都可以用非常简单的热学原理来解释。用热学基本原理来分析我们身边所发生的这些热学现象是一件非常有趣而且有益的事情。它不但可以激起大家学习热学知识的兴趣,还可以提高我们用科学的眼光来分析自然现象的意识。
厄尔尼诺的恶劣影响
“厄尔尼诺”一词来源于西班牙语,原意为“圣婴”。19世纪初,在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等西班牙语系的国家,渔民们发现,每隔几年,从10月至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的暖流,使表层海水温度明显升高。南美洲太平洋东岸本来盛行的是秘鲁寒流,随着寒流移动的鱼群使秘鲁渔场成为世界四大渔场之一,但这股暖流一出现,性喜冷水的鱼类就会大量死亡,使渔民们遭受灭顶之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后,于是遭受天灾而又无可奈何的渔民将其称为上帝之子——圣婴。后来,在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多尔附近几千千米的东太平洋海面温度的异常增暖现象。当这种现象发生时,大范围的海水温度可比常年高出3℃~6℃。太平洋广大水域的水温升高,改变了传统的赤道洋流和东南信风,导致全球性的气候反常。
生活中的热学现象厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流,是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气候现象,是沃克环流圈东移造成的。正常情况下,热带太平洋区域的季风洋流是从美洲走向亚洲,使太平洋表面保持温暖,给印尼周围带来热带降雨。但这种模式每2~7年被打乱一次,使风向和洋流发生逆转,太平洋表层的热流就转而向东走向美洲,随之便带走了热带降雨,出现所谓的“厄尔尼诺现象”。
厄尔尼诺现象的基本特征是太平洋沿岸的海面水温异常升高,海水水位上涨,并形成一股暖流向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域,结果引起海啸和暴风骤雨,造成一些地区干旱,另一些地区又降雨过多的异常气候现象。厄尔尼诺现象发生时,由于海温的异常增高,导致海洋上空大气层气温升高,破坏了大气环流原来正常的热量、水汽等分布的动态平衡。这一海气变化往往伴随着出现全球范围的灾害性天气:该冷不冷、该热不热,该天晴的地方洪涝成灾,该下雨的地方却烈日炎炎、焦土遍地。一般来说,当厄尔尼诺现象出现时,赤道太平洋中东部地区降雨量会大大增加,造成洪涝灾害,而澳大利亚和印度尼西亚等太平洋西部地区则干旱无雨。
厄尔尼诺的全过程分为发生期、发展期、维持期和衰减期,历时一般一年左右,大气的变化滞后于海水温度的变化。
在气象科学高度发达的今天,人们已经了解:太平洋的中央部分是北半球夏季气候变化的主要动力源。通常情况下,太平洋沿南美大陆西侧有一股北上的秘鲁寒流,其中一部分变成赤道海流向西移动,此时,沿赤道附近海域向西吹的季风使暖流向太平洋西侧积聚,而下层冷海水则在东侧涌升,使得太平洋西段菲律宾以南、新几内亚以北的海水温度渐渐升高,这一段海域被称为“赤道暖池”,同纬度东段海温则相对较低。对应这两个海域上空的大气也存在温差,东边的温度低、气压高,冷空气下沉后向西流动;西边的温度高、气压低,热空气上升后转向东流,这样,在太平洋中部就形成了一个海平面冷空气向西流,高空热空气向东流的大气环流(沃克环流),这个环流在海平面附近就形成了东南信风。但有些时候,这个气压差会低于多年平均值,有时又会增大,这种大气变动现象被称为“南方涛动”。20世纪60年代,气象学家发现厄尔尼诺和“南方涛动”密切相关,气压差减小时,便出现厄尔尼诺现象。
20世纪60年代以后,随着观测手段的进步和科学的发展,人们发现厄尔尼诺现象不仅出现在南美等国沿海,而且遍及东太平洋沿赤道两侧的全部海域以及环太平洋国家;有些年份,甚至印度洋沿岸也会受到厄尔尼诺带来的气候异常的影响,发生一系列自然灾害。总的来看,它使南半球气候更加干热,使北半球气候更加寒冷潮湿。
由于科技的发展和世界各国的重视,科学家们对厄尔尼诺现象通过采取一系列预报模型,海洋观测和卫星侦察,海洋大气偶合等科研活动,深化了对这种气候异常现象的认识。首先认识到厄尔尼诺现象出现的物理过程是海洋和大气相互作用的结果,即海洋温度的变化与大气相关联。所以在20世纪80年代后,科学家们把厄尔尼诺现象称为“安索”(enso)现象。其次是热带海洋的增温不仅发生在南美智利海域,而且也发生在东太平洋和西太平洋。它无论发生在哪,都会迅速地导致全球气候的明显异常,它是气候变异的最强信号,会导致全球许多地区出现严重的干旱和水灾等自然灾害。
据统计,每次较强的厄尔尼诺现象都会导致全球性的气候异常,由此带来巨大的经济损失。我国1998年夏季长江流域的特大暴雨洪涝就与1997~1998年厄尔尼诺现象密切相关,气象部门正是主要依据这一因子很好地提供了预测服务。
此外,通常在厄尔尼诺现象发生的当年,我国的夏季风会较弱,季风雨带偏南,北方地区夏季往往容易出现干旱、高温天;厄尔尼诺可能会使冬季出现暖冬的几率增大;夏季东北地区出现低温的几率增大;西北太平洋的台风产生个数及在我国沿海登陆个数均较正常年份偏少。由此可见,我国的气候也在厄尔尼诺现象的影响范围之内。
我国地域辽阔,横跨热带、亚热带、温带和寒带四个温区,而且又地处太平洋西岸,因此厄尔尼诺现象也不可避免地影响到我国的气候。分析表明,盛产于我国黄海和渤海的对虾产量与厄尔尼诺现象密切相关。每当发生厄尔尼诺现象时,对虾的产量就明显下降,平均下降幅度为30%。发生强厄尔尼诺现象时,产量的下降就更为显著,平均下降幅度达70%之多。在最强的厄尔尼诺年1982年,对虾产量只有高产年份(1956年和1979年)的1/7。
科学家认为,厄尔尼诺现象的发生与人类自然环境的日益恶化有关,是地球温室效应增加的直接结果,与人类向大自然过多索取而不注意环境保护有关。
根据对近百年来太阳活动变化规律与厄尔尼诺关系的研究,科学家发现太阳黑子减少期到谷值期是厄尔尼诺的多发期,并有2~3次厄尔尼诺发生。
几十年过去了,人们对厄尔尼诺现象已有全新理解,特别对生态、环境、气候乃至世界经济的影响,有了较深刻的认识。科学家确信,厄尔尼诺特别是强厄尔尼诺会给世界经济带来巨大灾难。美国《纽约时报》和《洛杉矶时报》提供的评估材料显示:1982~1983年的暖事件中,秘鲁是受害最重的国家之一。事件发生前,秘鲁供应的鱼粉占世界38%,1982~1983年秘鲁的捕鱼量从过去的1030万吨锐减到180万吨;美国作为鱼粉的代用品——黄豆的价格暴涨3倍,饲料价格上涨反过来又使鸡的零售价猛涨;菲律宾干旱严重,导致椰子价格大幅度上扬,又使制造肥皂和清洁剂的成本大大提高……1997年8月,世界气象组织的一份报告指出,1982~1983年的厄尔尼诺,造成全球130亿美元的直接经济损失,间接和潜在影响难以估计。
至于厄尔尼诺形成原因,则是当代科学之谜。大多数科学家认为不外乎两大方面:一是自然因素,赤道信风、地球自转、地热运动等都可能与其有关;二是人为因素,即人类活动加剧气候变暖,也是赤道暖事件剧增的可能原因之一。
人类最终彻底走出“厄尔尼诺”怪圈,也许就取决于人类自己对自然的态度。1998年2月3日至5日,来自世界各国的100多名气象专家聚集曼谷,研讨对付厄尔尼诺的良策。科学家认为,在预测厄尔尼诺现象方面,人类已取得了长足的进步。不少因厄尔尼诺造成的灾害得到了较为准确和及时的预测,使人类能够未雨绸缪。科学家发出了这样的呼吁:拯救大自然,也就是拯救人类自己。