在物理學史上有一個非常著名的定律的推論，這一推論是否正確，引起了科學界和哲學界一百多年持續(xù)不斷的爭論。由于涉及到宇宙未來、人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經(jīng)遠遠超出了科學界和哲學界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。這個定律就是熱力學第二定律，這個推論就是熱寂說。熱力學第二定律就是由本文的主角德國物理學家克勞修斯提出的。

魯?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯于1822年出生在普魯士克斯林（現(xiàn)在的波蘭科沙林）的一個教師家庭。他的父親創(chuàng)辦了一所私人學校，并自任校長?？藙谛匏挂彩窃谶@個學校里接受的初等教育，隨后又在斯特汀中學繼續(xù)學業(yè)。1840年，克勞修斯進入柏林大學，并于1847年在哈雷大學獲得數(shù)學和物理的哲學博士學位（當時的物理被稱為自然哲學）。1850年，克勞修斯進入柏林皇家炮兵工程學院擔任物理學教授，5年后又調任蘇黎世工業(yè)大學。1867年，克勞修斯回到德國，在維爾茨堡大學工作，并在2年后移居波恩，擔任波恩大學的教授。克勞修斯的主要工作領域是熱力學和氣體分子運動論。

19世紀初以來，蒸汽機在全球各個領域得到了廣泛使用，如何提高熱機的效率問題成了當時非常重要的實際問題，也是當時物理學界理論研究的熱門課題。1824年，卡諾提出了理想熱機的模型，從根本上證明了永動機不可能實現(xiàn)的卡諾定理（參見科普君之前的文章《物理史話之理想熱機卡諾》），不僅指出了熱機效率的上限，實際上也包含了熱力學第二定律的重要內容。只不過當時卡諾論證的基礎還是熱質說，但是熱質說其實是不對的。后來到了19世紀中葉，經(jīng)過很多科學家包括邁爾、焦耳、亥姆霍茲等人的研究發(fā)現(xiàn)，終于建立了極為重要和普遍的能量轉化和守恒的定律，成為研究熱和運動相互轉化的基礎。1850年，克勞修斯在前人研究的基礎上發(fā)表了著名的論文《論熱的動力以及由此推出的關于熱學本身的諸定律》。在文中，克勞修斯根據(jù)熱運動學說，提出一個基本定律：靠熱來做功時，所消耗的熱與功成正比；反之，消耗的功也會產(chǎn)生同樣數(shù)量的熱?？藙谛匏共粌H否認了熱質理論的基本前提，還認為熱量不能看作是物質狀態(tài)的函數(shù)而與過程有關?？藙谛匏惯€給出了熱力學第一定律的表達式：，U是物質狀態(tài)的函數(shù)，是克勞修斯首次引入熱力學中的，在一年后，湯姆遜將U命名為內能?？藙谛匏怪赋?，如果沒有某種動力的消耗或者沒有其他殘存的變化，就不可能使熱從低溫物體轉移到高溫物體，并以此為根據(jù)，通過正、反循環(huán)組合的想象實驗，即可證明卡諾定理。克勞修斯的這個想法，實際上就是熱力學第二定律的來源，后來克勞修斯更加明確地闡述了這一點，并在1854年正式提出熱力學第二定律的名稱。1865年，克勞修斯在《力學的熱理論的主要方程之便于應用的形式》一文中，引入了稱為物體的熵的狀態(tài)函數(shù)S，并定義為，并嚴格證明：一個孤立系的熵永遠不會減少，即'熵增原理'。另外，克勞修斯建立的基本關系式可以導出，這就是熱力學第二定律的基本微分方程。由此可見，克勞修斯不僅發(fā)現(xiàn)了熱力學第二定律，還找到了定量表述熱力學第二定律的重要概念熵。他的工作為熱力學的發(fā)展開辟了道路，并使熱的運動學說得到了廣泛的承認。在論文的最后，克勞修斯指出，如果熱力學第一、第二定律適用于全宇宙，則'宇宙的能量是恒定的'、'宇宙的熵趨于某個極大值'。克勞修斯在2年后的一次演講中，進一步指出：宇宙越是接近于其熵為一最大值的極限狀態(tài)，它繼續(xù)發(fā)生變化的可能就越小；當它完全達到這個狀態(tài)時，就不會再出現(xiàn)進一步的變化了，宇宙就將永遠處于一種惰性的死寂狀態(tài)。這就是本文開頭所說到的那個著名的推論：熱寂說。首先對'熱寂說'提出詰難的是麥克斯韋，他設計了一個假想的存在物--'麥克斯韋妖'。我們在以后麥克斯韋那章中會談到。不過到20世紀以后，特別是大爆炸學說的興起，這個問題已經(jīng)得以解釋。

氣體分子運動論早在伯努利的時代就已經(jīng)被指出了，后來包括赫拉帕斯、瓦特斯頓、焦耳、克倫尼希等人都對其所有貢獻。1857年，克勞修斯發(fā)表論文《論我們稱之為熱的那種運動》，在文中克勞修斯闡明了分子運動論的基本思想和方法，為阿伏伽德羅定律提供了第一個物理論據(jù)，還證明了波義爾定律和蓋·呂薩克定律。克勞修斯從氣體由大量激烈運動分子組成的概念出發(fā)，指出考察單個分子的運動既不可能也沒意義，系統(tǒng)的宏觀性質取決于大量分子運動的平均值，他第一次明確提出了統(tǒng)計平均的概念，這是建立分子運動論的前提。第二年，克勞修斯繼續(xù)發(fā)表論文，修正了他上一年論文中的一些問題，并引入了平均自由程的概念，堅定了人們對分子運動論的信心，開辟了研究氣體輸運現(xiàn)象的道路。在克勞修斯工作的直接影響下，1860年，麥克斯韋給出了分子速率分布律，計算出了平均速率和方均根速率?？藙谛匏箤釋W理論的最后一個有意義的貢獻是在1880年的穩(wěn)重中提出了范德華狀態(tài)方程的改正形式，這個方程后來被人稱為克勞修斯方程。

1888年，克勞修斯在波恩去世，享年66歲。

預告一下，下期人物：基爾霍夫