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通过物体沉入液体和球体混合实验，阐明构造律与第二定律的独立性与互补性，强调自然演化中设计方向性与不可逆性的共存。
阿德里安·贝詹
杜克大学，北卡罗来纳州达勒姆 27708-0300，美国
摘要
本文通过两个混合的例子来说明为什么构造定律和第二定律是两种独立且自成体系的定律。文章首先定义了两种不同的现象：自然界中的不可逆性与设计（形式、运动、配置、节奏）。这两种现象被概括为两个定律：第二定律和构造定律。第一个混合的例子是关于一个物体在液体中下沉的过程；第二个例子是将两种大小的滚珠倒入盒子中并上下摇晃盒子。在这两个例子中，混合过程（即从有流动状态到无流动状态的过程）伴随着流动配置的演变。在第一个例子中，演变的是围绕下沉物体的流动结构；在第二个例子中，演变的是滚珠的分层现象。通过对比构造定律和第二定律，可以澄清一些关于热力学中关于演化物理、时间箭头、宇宙以及无形概念的误解。这两个例子都来源于作者的课堂教学，它们强调了在探索流动现象、流动方式（及其设计）以及演化方向时，自由思考和常识（而非专业术语）的重要性。
章节摘录
质疑与发现
我听到有些教授声称他们教会学生如何发挥创造力。但我必须承认，我无法直接教授创造力。我无法让学生摒弃他们对从众主义、集体主义和群体思维的固有观念。我所教授的是更为重要的东西——自由和质疑的精神，这可能会激发他们内在的创造力。我还会教导他们如何避免科学领域的部落主义、权力竞争以及过度使用专业术语。
创造力、创新以及敢于质疑的能力，是沟通和
现象与定律
看看大自然向我们展示了什么：熟悉的图像、设计、配置、运动以及各种过程（见图1）。这些现象已经演化了很长时间。人类的肺部在某种程度上看起来像是“被冻结”在某个状态中，这是因为人类寿命短暂以及人类文明的历史记录有限。而与人类肺部相对应的是河流三角洲，它的形态每年都在变化。我在多瑙河三角洲地区长大，亲眼目睹了河岸的不断移动。
构造定律与第二定律
为了明确第二定律和构造定律之间的区别，有必要明确指出进行比较时所使用关键词的含义。以下是一个简明的总结：
(i)一个现象是对大量同类观察结果的简要概括。
(ii)一个定律是对某一特定现象的简洁表述。
(iii)一个独立的定律是对某一独特现象的简洁表述。
(iv)热力学第二定律所描述的现象是“不可逆性”，也就是说，所有过程都是不可逆的。
物体在水中下沉
图3展示了物体在水中下沉的实验过程。众所周知，物体最终会静止在底部。第二定律的作用在这里显而易见，但它并不能完全解释自然界中发生的所有现象。自然界以其多样的演化设计让我们感到惊讶。随着物体下沉，流动结构也会朝着某个可辨识的方向演变（从状态c到状态b再到状态a）。这就是演化过程，因为在任何速度下（横坐标上的U∞），自然界总是遵循这样的规律。
大球与小球的混合
起初我认为，利用物体在水中下沉的例子来解释构造定律和第二定律之间的区别是最简单的方法。后来，我在2025年4月的课程考试中需要设计一个原创问题。这让我有机会重新审视自己的观点，即认为物体下沉的例子（图3）是最能说明这两种定律差异的案例。以下是考试中的新问题描述：
你有两个相同的容器……
讨论
有一种普遍的观点认为“一切”都会朝着最大熵的状态发展（即“熵的死亡”），但从热力学的角度来看，这种观点是错误的。更准确的表述是：任何封闭且“绝热”的系统在经历变化后，确实会趋向于最大熵状态。“绝热”系统是指那些无法与外界交换能量的系统。
结论
本文从“质疑与发现”的方法出发，强调了在探索未知领域时保持好奇心的重要性。物理实体本质上是一种具有变化自由的演化流动结构。这种演化倾向通过两个混合现象得到了说明：一个是物体在水中下沉（图3），另一个是塑料管在水平面上旋转（图4）。在这两个例子中，混合过程都是将运动能量传递给周围环境的过程。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系或个人关联：阿德里安·贝詹表示获得了美国空军科学研究办公室（US. Air Force Office of Scientific Research）的财务支持；同时他也表示获得了CaptiveAire Systems的财务支持。如果还有其他作者参与撰写本文，他们也声明自己没有可能影响本文内容的财务冲突或个人关联。
致谢
阿德里安·贝詹目前的科研工作得到了CaptiveAire Systems和美国空军科学研究办公室（FA9550-23-1-0716项目）的资助。图4由Elsie Gothman绘制。
