熵:宇宙的終極規(guī)則

1、
有人曾經(jīng)問(wèn)我:"成年后沃疮,有沒(méi)有書籍改變過(guò)你的世界觀盒让?"
我想了想,還真有這樣的書司蔬。那時(shí)邑茄,我已經(jīng)工作好幾年了,偶然在圖書館翻到一本舊書《熵:一種新的世界觀》(上海譯文出版社俊啼,1987)肺缕。


那本書是科普著作,介紹物理學(xué)概念"熵"授帕。中學(xué)畢業(yè)后同木,我再?zèng)]有碰過(guò)物理學(xué),但是沒(méi)想到讀完以后跛十,我看待世界的眼光都變了彤路。
"熵"這個(gè)概念非常簡(jiǎn)單,很容易理解芥映,但又異常強(qiáng)大斩萌,可以解釋很多事情。這篇文章屏轰,我就來(lái)談?wù)劶绽桑瑸槭裁茨銘?yīng)該懂得熵是什么,它可能也會(huì)改變你的世界觀霎苗。

2姆吭、
為了理解熵,必須講一點(diǎn)物理學(xué)唁盏。
19世紀(jì)内狸,物理學(xué)家開(kāi)始認(rèn)識(shí)到检眯,世界的動(dòng)力是能量,并且提出"能量守恒定律"昆淡,即能量的總和是不變的锰瘸。但是,有一個(gè)現(xiàn)象讓他們很困惑昂灵。

(上圖中避凝,單擺在兩側(cè)的最高點(diǎn),勢(shì)能最大眨补,動(dòng)能為零管削;在中間的低點(diǎn),動(dòng)能最大撑螺,勢(shì)能為零含思,能量始終守恒。)
物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)甘晤,能量無(wú)法百分百地轉(zhuǎn)換含潘。比如,蒸汽機(jī)使用的是熱能线婚,將其轉(zhuǎn)換為推動(dòng)機(jī)器的機(jī)械能遏弱。這個(gè)過(guò)程中,總是有一些熱能損耗掉酌伊,無(wú)法完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

(上圖中缀踪,能量 E 的轉(zhuǎn)換居砖,總是會(huì)導(dǎo)致能量損耗 ?E。)
一開(kāi)始驴娃,物理學(xué)家以為是技術(shù)水平不高導(dǎo)致的奏候,但后來(lái)發(fā)現(xiàn),技術(shù)再進(jìn)步唇敞,也無(wú)法將能量損耗降到零蔗草。他們就將那些在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中浪費(fèi)掉的、無(wú)法再利用的能量稱為熵疆柔。
后來(lái)咒精,這個(gè)概念被總結(jié)成了"熱力學(xué)第二定律":能量轉(zhuǎn)換總是會(huì)產(chǎn)生熵,如果是封閉系統(tǒng)旷档,所有能量最終都會(huì)變成熵模叙。
3、
熵既然是能量鞋屈,為什么無(wú)法利用范咨?它又是怎么產(chǎn)生的故觅?為什么所有能量最后都會(huì)變成熵?這些問(wèn)題我想了很久渠啊。
物理學(xué)家有很多種解釋输吏,有一種我覺(jué)得最容易懂:能量轉(zhuǎn)換的時(shí)候,大部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換成預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)替蛉,比如熱能變成機(jī)械能贯溅、電能變成光能。但是灭返,就像細(xì)胞突變那樣盗迟,還有一部分能量會(huì)生成新的狀態(tài)。這部分能量就是熵熙含,由于狀態(tài)不同罚缕,所以很難利用,除非外部注入新的能量怎静,專門處理熵邮弹。

(上圖,能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中蚓聘,創(chuàng)造出許多新?tīng)顟B(tài)腌乡。)
總之,能量轉(zhuǎn)換會(huì)創(chuàng)造出新的狀態(tài)夜牡,熵就是進(jìn)入這些狀態(tài)的能量与纽。
4、
現(xiàn)在請(qǐng)大家思考:狀態(tài)多意味著什么塘装?
狀態(tài)多急迂,就是可能性多,表示比較混亂蹦肴;狀態(tài)少僚碎,就是可能性少,相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較有秩序阴幌。因此勺阐,上面結(jié)論的另一種表達(dá)是:能量轉(zhuǎn)換會(huì)讓系統(tǒng)的混亂度增加,熵就是系統(tǒng)的混亂度矛双。

(上圖中渊抽,熵低則混亂度低,熵高則混亂度高议忽。)
轉(zhuǎn)換的能量越大腰吟,創(chuàng)造出來(lái)的新?tīng)顟B(tài)就會(huì)越多,因此高能量系統(tǒng)不如低能量系統(tǒng)穩(wěn)定,因?yàn)榍罢叩撵剌^大毛雇。而且嫉称,凡是運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)都會(huì)有能量轉(zhuǎn)換,熱力學(xué)第二定律就是在說(shuō)灵疮,所有封閉系統(tǒng)最終都會(huì)趨向混亂度最大的狀態(tài)织阅,除非外部注入能量。

(上圖中震捣,冰塊是分子的有序排列荔棉,吸收能量后,變成液體水蒿赢,分子排列變得無(wú)序润樱。)
5、
熵讓我理解了一件事羡棵,如果不施加外力影響壹若,事物永遠(yuǎn)向著更混亂的狀態(tài)發(fā)展辑鲤。比如塌碌,房間如果沒(méi)人打掃锐峭,只會(huì)越來(lái)越亂航背,不可能越來(lái)越干凈。

(上圖中焕议,如果不花費(fèi)能量打掃茄菊,房間總是越來(lái)越亂唱捣。)
為什么"世間好物不堅(jiān)牢舶胀,彩云易散琉璃脆"概说?就是因?yàn)槭挛锞S持美好的狀態(tài)是需要能量的,如果沒(méi)有能量輸入嚣伐,美好的狀態(tài)就會(huì)結(jié)束糖赔。
這就是我世界觀的變化。我從此認(rèn)識(shí)到纤控,人類社會(huì)并非一定會(huì)變得更進(jìn)步挂捻、更文明碉纺。相反地船万,人類如同宇宙的其他事物一樣,常態(tài)和最終命運(yùn)一定是變得更混亂和無(wú)序骨田。過(guò)去五千年耿导,人類文明的進(jìn)步只是因?yàn)槿祟悓W(xué)會(huì)利用外部能量(牲畜、火種态贤、水力等等)舱呻。越來(lái)越多的能量注入,使得人類社會(huì)向著文明有序的方向發(fā)展。

(上圖中箱吕,經(jīng)過(guò)130多億年的膨脹芥驳,宇宙變得越來(lái)越無(wú)序了。)
6茬高、
工業(yè)革命以后兆旬,人類社會(huì)的進(jìn)步速度加快了,變得更加先進(jìn)有序怎栽,消耗的能量也指數(shù)級(jí)地增長(zhǎng):水力不夠了用煤炭丽猬,煤炭不夠了用石油,石油不夠了用核能熏瞄。
能量消耗越大脚祟,就會(huì)產(chǎn)生越多的熵。因此强饮,人類社會(huì)始終處于一種矛盾狀態(tài):整個(gè)社會(huì)變得更加有序和嚴(yán)密的同時(shí)由桌,無(wú)序和混亂也在暗處不斷滋長(zhǎng)。

我們只是依靠更大的能量輸入胡陪,在壓制熵的累積沥寥。不斷增加的熵,正在各種方面爆發(fā)出來(lái):垃圾污染柠座、地球變暖邑雅、土地沙化、PM2.5妈经、物種滅絕......甚至心理疾病淮野、孤獨(dú)感和疏離感的暴增,我認(rèn)為都是熵的增加對(duì)人類精神造成的結(jié)果吹泡。
我們需要能量骤星,讓世界變得有秩序,但這樣是有代價(jià)的爆哑。物理學(xué)告訴我們洞难,沒(méi)有辦法消除熵和混亂,我們只是讓某些局部變得更有秩序揭朝,把混亂轉(zhuǎn)移到另一些領(lǐng)域队贱。
7、
人類社會(huì)正在加速發(fā)展潭袱。表面上柱嫌,我們正在經(jīng)歷一個(gè)減熵過(guò)程,一切變得越來(lái)越有秩序屯换,自動(dòng)化帶來(lái)了便捷编丘。但是,能量消耗也在同步放大,為了解決越來(lái)越多的熵嘉抓,我們不得不尋找更多的能量索守,這又導(dǎo)致熵的進(jìn)一步增加,從而陷入惡性循環(huán)抑片。

迄今為止蕾盯,人類一直能夠找到足夠的能量,解決熵帶來(lái)的混亂蓝丙。但是级遭,這種解決方式正變得捉襟見(jiàn)肘。如果我們繼續(xù)像現(xiàn)在這樣加速發(fā)展渺尘,那么終有一天會(huì)出現(xiàn)能量缺口挫鸽,地球上的能量不足以解決熵,那時(shí)一切就會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)鸥跟,仿佛細(xì)小的裂縫演變成巨大的雪崩丢郊,秩序開(kāi)始崩塌,世界走向混亂医咨。

良辰:改變自己枫匾,也必須需要外部的改變。

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