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从熵的角度出发,热力学第二定律可以被描述为:不可逆热力过程中,熵的微增量总是大于零。X
那么……问题来了,【熵】到底是什么?
在统计学意义上,熵度量的是系统的无序度,也就是说,系统越杂乱无章,它的熵值越大。
简而言之,热量从热的地方,流到冷的地方,经过足够的时间,所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰块融化。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。
但就是这么简单的定律,太让人讨厌,让人对世界充满了绝望。
科学家宁愿没有发现它,甚至有人因为它自杀。
就最广泛的意义而言,热力学第二定律认为,宇宙的“熵”与日俱增。
例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包,做面包的麦子,在生长的过程中需要吸收阳光的能量;
太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。
总之,宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。
“在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。”
但对宇宙来说,是不存在“外界”的。因此,宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,这个最终的结果,简称为“热寂”。
到那时,恒星熄灭,黑洞死亡,所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间,所有空间温度相同。
到了热寂时代,微小尺度的量子事件成为最终主导。
“热寂”,是人类对宇宙结局的一大猜想。
对于整个宇宙到达热寂,至少需要10^1000年,对于人类来说,这个结局还过于遥远。
所以,让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。
一间房子,如果无人打扫,随着时间的流逝,必然会沾满灰尘。这个时候,我们可以认为,房间的无序程度增加了,也就是代表整个房间的熵自发地增加。
如果有人进入房间打扫,房间变得干净,是不是房间的熵减小了呢?
是的,局部熵减小了,但是“人+房间”的熵并没有减小。
人在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。由于能量转化过程会不可避免地产生不能做功的热能,所以这个增量,是大于“房间被打扫干净”带来的无序度减少的。
从总体来看,“人+房间”系统的熵值还是增加了。
对于这个熵增结论,科学家们非常不满,这意味着世界的无序程度一直在增加,未来是不美好的。
为了找出一个更有力的反例,人们试图创造永动机或者其他的方式,来规避熵增。
年,英国物理学家麦克斯韦设想了这样一个实验:有一个箱子被一块板一分为二,板上有一个活门,由一个从海加尔山抓来做苦力的小精灵把守。
小精灵能测量气体分子的速度,对于右边来的分子,如果速度快,他就打开门让其通过,速度慢就关上门不让通过。
对于左边来的分子,则速度慢的就让通过,速度快的就不让通过。
一段时间以后,箱子左边的分子速度就会很快,右边则会很慢。
这意味着箱子的无序度降低了,熵减少了。
机智的麦克斯韦还假定,活门既无质量也无摩擦,那么在这一过程中小精灵并没有做功,这不就违反了热力学第二定律吗?
直到60年后,这个问题才被圆满解决。
匈牙利物理学家西拉德提出,做功的是小精灵的“智能”。
他认为,获取信息的观测过程(小精灵判断分子的速度快慢)需要能量,必然会引起熵的增加,其数量不少于因分子变得有序而减少的熵。
这样,由箱子、分子和小精灵组成的整个系统,就仍然遵守热力学第二定律。
现在回头来看,获取信息需要额外做功是顺理成章的,然而在19世纪末,睿智如麦克斯韦也没有看出小精灵的“观测能力”,对箱子--分子--小妖系统的影响。
直到20世纪,物理学家们才意识到,“观察者”在量子力学中扮演的重要角色后,信息与物理的关系才被理解。
那么有人又会问了:既然自然界的所有过程最终都趋于无序,那么为何会有生命这种高度有序的存在呢?
在这个哲学问题的思考上,薛定谔在上世纪四十年代写的《生命是什么》一书中提出,生命从环境中抽取“有序”来维持自身的“有序”。
吃喝是摄取“有序”的过程,食物的有序度经过消化被降低,最终以拉撒的方式将“无序”排放回环境。
另外,生物会通过散发热量,把生理过程中产生的剩余熵排放到环境中。温血动物较高的体温,有利于更高效地排除熵,因而能产生更强烈的生命过程)
就总体而言,排放的熵要大于摄取的负熵,所以满足熵增原理。
在这个意义上,生命,尤其是智慧生命的出现,加快了能量的均布,大力促进了宇宙的无序化进程!
“我们猜测,宇宙嫌弃整个热寂的过程实在太慢,由此创造了生命,是不是如此呢?”
举个例子,燃烧煤、石油、天然气的行为,释放了原本储存在化石燃料内部的能量,使其以辐射、热传递等形式更快地分布到了环境中,而核能的利用,甚至使生命有能力释放原子内部的能量。
如果把熵增过程比喻为拆迁,那么,智慧生物就好比宇宙请来的城管。
等级越高的文明,越能够帮助宇宙回归热寂。
如此看来,宇宙的目的,像不像一场精心策划、情节波澜壮阔的自杀?
但是,宇宙为何要自杀?为何想要回归热寂?
为何熵会自发地增加,而不会自发减少?
为何要设定这样的规则?
很遗憾,这是一个宇宙级别的哲学问题,我们并不知道答案。
以上部分是【热力学方面的熵增理论】。
我们可以将“熵”这个概念推广到其他的方方面面,发现它无处不在。
譬如说一杯水,滴入一滴墨水后,因为分子间的热运动,它将会慢慢扩散,直到墨水均匀分布。墨水从有序变得无序,想要恢复原先的样子,变得极为困难。
这就是一个熵增的过程。
一堆沙子,花费大力气堆成圆锥,它会慢慢倒塌……这也是熵增的过程。
宇宙在腐朽,人类世界的万事万物也在腐朽。
生命,这种高度有序的存在,是一种低熵体。但生命体亦不是永恒的,单个生命也会生病、衰老。
一个人从诞生开始,熵就在不停地变化,直到死亡到来的那一刻,代表其个体的熵增加到最大值。
这种熵是可以模糊量化的,是具体的,我们可以用【身体健康指标】、【寿命】等进行简单地代替。
如果因为合理的生活方式,或者某些科技,相当于为生命体摄入了负熵流,其熵增将会变得更加缓慢,甚至减小也有可能。
但总体而言,衡量个体的熵,依旧是缓慢增大的过程,直至个体死亡。
然后,我们再来谈文明。
宇宙中没有什么是永恒的,我们假设,文明也有自己的【熵值】,但文明的熵更加抽象。
很难直观地计算,文明的熵究竟有多大。它时时刻刻不停地变化,只能根据一些表现来进行简单地估算。
在地球时代,王朝更换,政权变更,各种各样的理由有很多,但最终,否可以用熵来衡量其中的秩序程度?
影响文明熵的因素有很多,包括但不限于外界环境、科技、社会制度、人口数目、人口质量等等。
特别是科技因素,是相当显著的负熵流,只要科学能一直进步下去,文明就能很简单地保持强盛……
若【文明熵增假设】成立,我们就要小心了,因为熵总是会自发地增大,我们必须要想方设法,控制其熵增,无论是社会因素、还是科技因素。
否则,文明的寂灭将成为必然事件。
从这个角度讲,明天是不美好的……按照熵增理论,明天只会自然而然变差,而不会自然而然变好。
这也是宇宙哲学树上的一条假设。
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