互动科普

地球内部贮藏有诞生时留下的巨大的能量

我们居住的这个地球一点也不安分，大陆在缓慢地漂移，不断地有火山爆发，常常还有大地震发生。造成大地不停变动的原动力就来自贮藏在地球内部的巨大热能。

那么，地球内部的热能又是来自哪里呢？回答这个问题，关键在于要知道能量的一个非常重要的性质。那就是，“能量不会凭空产生，也不会凭空消失”。换句话说，地球内部的热能必有其来源。

在距今大约46亿年前，在宇宙空间飞来飞去的那些直径为数公里的“星子”互相碰撞和融合，最后诞生出了地球。那些后来融合为地球的星子携带有各种形式的能量，有动能和势能，也有核能。这些能量有一部分被地球截留下来，便成为贮藏在现在地球内部的热能的来源。

星子携带的其余的能量则已经逃离地球。逃离地球的这部分能量当然也没有从宇宙消失，它们以其他形式继续存留在宇宙这个大“容器”之中。这就是“能量不会凭空产生，也不会凭空消失”的“能量守恒定律”。

宇宙的历史其实就是能量不断地改变存在形式的一部变化史。

宇宙违反“自然趋势”吗？

宇宙空间有炙热的恒星，有具有复杂结构的星系⋯⋯，存在着各种各样不同的天体。即使在今天，宇宙的这里和那里也有新的恒星和星系不断地诞生出来。乍一看，天体诞生这种现象似乎违反了自然界中的变化本来应该具有的那种趋势。

我们先来看自然界中的变化本来应该具有怎样的趋势。举例说，一杯热饮料不久就会冷却，而一杯冷饮料却不会自行变热。这样一种变化趋势是不会逆转的。

这样一种只朝向一个方向变化的趋势在物理学中是用“熵增原理”来加以说明的。粗略说来，这条定律中的“熵”表示的是一种“不偏不倚”（均匀）倾向的概念。于是，熵增原理的意思就是“只能朝着不偏不倚的状态变化”。在上面提到的饮料例子中，温度只能是朝着不偏不倚的方向变化，也就是说，饮料的温度和房间里的温度只能朝着变得均匀一致的方向变化。

再回到天体诞生的话题。按照熵增原理，朝向偏倚状态的变化本来是不可能发生的。然而，在冷的宇宙中诞生出恒星这样的结构，物质再聚集起来形成星系这样的结构，这些变化全都是温度和物质变成了偏倚状态。宇宙中真的能够出现违反自然趋势的事情吗？

原来，宇宙巨大无比，天体的诞生不过是在宇宙这个大“箱子”里这里和那里的局部小区域出现的一种偏倚状态而已，就宇宙总体而言，熵仍然只在增加。

图. 熵可以用来表示各种不同的状态

“熵增原理”是德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（1822〜1888）提出的。当初提出这个定律是为了分析从热量获得动力的蒸汽机的效率。后来，熵又被证明可以用来表示物质（原子和分子）分布的均匀程度。现在许多学科都在使用熵的概念，用它来表示“有序程度”和“某种现象是否容易出现”，等等。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）