你是否曾為這樣的場(chǎng)面駐足肛度？
無論是電影也好傻唾，魔術(shù)也罷，這些在現(xiàn)實(shí)生活中原本不可能出現(xiàn)的場(chǎng)景承耿，總是能第一時(shí)間抓住我們的眼球冠骄。
所有的這些“不可能”概括起來說就是：違反了自然界普遍的基本定律。
電影中“奇異博士”不借助任何外力把大量能量匯聚到雙手的行為加袋，在物理學(xué)的概括解釋就叫做——熵減凛辣。
「熵（shāng）」是一個(gè)抽象的通過運(yùn)算推導(dǎo)出來的量。其物理意義代表系統(tǒng)的無序程度职烧。
比如：蠟燭燃燒扁誓、冰塊融化、酒精揮發(fā)阳堕、食物腐爛等都是熵增加的過程跋理。而與之相反的過程是熵減。
「熵」的概念起源于物理學(xué)恬总，在控制論前普、概率論、數(shù)論壹堰、天體物理拭卿、生命科學(xué)等方面也有應(yīng)用，對(duì)人類甚至宇宙存在的意義贱纠、最終的結(jié)局方面也有推論峻厚。
以下的文章會(huì)避開「統(tǒng)計(jì)力學(xué)」中那些晦澀的數(shù)字、公式谆焊，但在一定程度上還是比較燒腦惠桃。
如果看完還是感覺一頭霧水，那么首先是這篇文章的錯(cuò)，然后是「熵」的錯(cuò)辜王，不要責(zé)怪自己劈狐。
畢竟，「熵」是個(gè)很難理解的概念呐馆，腦子里有「熵」這個(gè)概念并且能略微理解的人肥缔，已經(jīng)跑贏80%的人類了。
各位小伙伴扶穩(wěn)坐好汹来，我們要發(fā)車嘍~
19世紀(jì)续膳，科學(xué)家們通過熱力學(xué)的研究得出了「熱力學(xué)第一定律」即「能量守恒定律(energy conservation law)」指在一個(gè)封閉(孤立)系統(tǒng)的總能量保持不變。
能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生收班，也不會(huì)憑空消失坟岔，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體闺阱，而能量的總量保持不變炮车。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)酣溃，能量總是做不到100%的轉(zhuǎn)換，什么意思纪隙？
火力發(fā)電的過程是這樣的：
燃料化學(xué)能→ 蒸汽熱能→機(jī)械能→ 電能
簡(jiǎn)單說就是通過燃料的燃燒產(chǎn)生熱能來加熱水赊豌，然后再由水蒸氣推動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。
在這個(gè)過程中绵咱，熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率只能達(dá)到39%左右碘饼。
覺得效率低？家用車消耗燃料向前行駛悲伶，這個(gè)過程的能量轉(zhuǎn)換效率不到30%（非發(fā)動(dòng)機(jī)效率）艾恼。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分的能量在轉(zhuǎn)換的過程中被耗散掉了（變成了震動(dòng)麸锉、噪音钠绍、熱輻射等等），這部分在轉(zhuǎn)換過程中耗散的花沉、無法再利用的能量就是「熵」柳爽。
基于這個(gè)概念，科學(xué)家們又得出了「熱力學(xué)第二定律」：
① 熱總是從高溫物體傳到低溫物體碱屁。 在不做功的情況下磷脯，熱不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。
②任何熱機(jī)不可能將所接受的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣γ淦ⅰ＜匆磺信c熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的赵誓。
「熱力學(xué)第二定律」可以說是熱力學(xué)中最具生機(jī)和活力的部分，它有很多表述方法，這是和其他物理定律不太相同的地方俩功。
「熱力學(xué)第二定律」的內(nèi)涵非常豐富幻枉，每種表述都反映了它的一個(gè)側(cè)面，包括：克勞修斯表述绑雄、開爾文表述展辞、普朗克表述、黑首保勞-肯南表述万牺、卡拉西奧多里原理罗珍。
這些不同的側(cè)面是相互聯(lián)系的，由一個(gè)可以證明另一個(gè)脚粟，這里就不一一展開講了覆旱。
在這些表述之中，比較經(jīng)典就是克勞修斯表述——「熵增加原理」：
「熵增加原理」簡(jiǎn)單點(diǎn)來說就是：孤立系統(tǒng)的熵值永遠(yuǎn)是增加的(更精確的說核无，是永不減少)扣唱。
我們來花些時(shí)間大概搞懂這句話：
1、孤立系統(tǒng)
在熱力學(xué)之中团南，與外界沒有物質(zhì)交換噪沙，但有能量交換的系統(tǒng)稱為「封閉系統(tǒng)」，比如：密封的不保溫的不銹鋼水杯吐根。
在熱力學(xué)之中正歼，與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)稱為「孤立系統(tǒng)」，比如：密封的絕對(duì)保溫的不銹鋼水杯（理論上存在）
看到這里拷橘，我想請(qǐng)你停下來局义，花一分鐘思考一下，整個(gè)「地球生態(tài)圈」是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」嗎冗疮？答案之后會(huì)揭曉萄唇。
2、「熵值」永遠(yuǎn)是增加的术幔，永不減少
我們之前說過另萤，在轉(zhuǎn)換過程中耗散的、無法再利用的能量就是「熵」特愿，又根據(jù)「能量守恒定律」這些能量并沒有消失仲墨，只是由“可以利用的能量”變成了“無法利用能量”。
從“可以利用的能量”到“無法利用的能量”揍障，其實(shí)就是能量的分布由“聚在一起”變成了“平均分布”目养。
只有“聚在一起”的能量才是能夠被利用的，而“平均分布”的能量則不能被利用毒嫡，這是什么意思癌蚁？
下圖是一張水壩的照片：
我們把水壩暫時(shí)看作一個(gè)「孤立系統(tǒng)」（外界的物質(zhì)與能量無法影響到它）幻梯。
這時(shí)水壩一側(cè)的水位比另一側(cè)要高，水的重力勢(shì)能“聚在一起”努释，當(dāng)我們打開水壩碘梢，水就會(huì)傾瀉而出，傾瀉而出的水可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電伐蒂。
這時(shí)的能量轉(zhuǎn)換就是：（水）重力勢(shì)能→?機(jī)械能→ 電能煞躬。
那么如果說水壩兩側(cè)的水位是相等的話，水就“平均分布”了逸邦，不會(huì)流動(dòng)恩沛，我們也就無法利用水來發(fā)電。
例子中的“聚在一起”的能量缕减，是一種「有序的能量」（熵值欣卓汀），它會(huì)朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)桥狡，是可以被利用的搅裙。
而“平均分布”的能量，是一種「無序的能量」（熵值大）裹芝，它不會(huì)自發(fā)的運(yùn)動(dòng)部逮，不可以被利用。
我們回到「熵增加原理」嫂易，「熵值」增加的意思就是——無法利用的能量會(huì)越來越多甥啄。
綜上所述，「熵增加原理」的意思是：在沒有外界影響的情況下（孤立系統(tǒng)）無法利用的能量會(huì)越來越多炬搭，而且這個(gè)過程無法自發(fā)逆轉(zhuǎn)。
霍金的解釋是「熵減」（逆轉(zhuǎn)）來自于系統(tǒng)外部穆桂，不可能來自內(nèi)部宫盔。所以整個(gè)孤立系統(tǒng)的能量會(huì)慢慢變成“你有我有全都有”的平衡狀態(tài)。
有些聰明的小伙伴會(huì)想到享完，如果我們將水壩中的水用水泵抽到一側(cè)灼芭，強(qiáng)行制造「有序的能量」加以利用不就可以了嗎？
沒錯(cuò)般又，這樣確實(shí)是制造了「有序的能量」彼绷，但我們?cè)谶M(jìn)行“將水壩中的水用水泵抽到一側(cè)”這個(gè)過程中還是會(huì)消耗、耗散能量茴迁，這還是在制造「無序的能量」（熵增）寄悯。
所以，我們可以局部制造「有序的能量」（熵減）堕义，但只是將「無序的能量」（熵增）轉(zhuǎn)移到其他地方猜旬，整個(gè)系統(tǒng)的「熵值」還是在增加。
「熵增加原理」是一個(gè)令人絕望的規(guī)律，它預(yù)示著人類洒擦、地球乃至宇宙的最終命運(yùn)就是走向「熱寂」——一種完全無序的椿争、沒有生命與意識(shí)存在的狀態(tài)，宇宙的死亡熟嫩。
「熱寂說」是「熵增加原理」對(duì)宇宙最終結(jié)局的推論秦踪，這一推論是否正確，引起了科學(xué)界和哲學(xué)界一百多年持續(xù)不斷的爭(zhēng)論掸茅。
由于涉及到宇宙未來椅邓、人類命運(yùn)等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)界和哲學(xué)界倦蚪，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案希坚。
「熱寂說」將整個(gè)宇宙當(dāng)成一個(gè)孤立系統(tǒng)，認(rèn)為宇宙的熵會(huì)趨向極大陵且，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)裁僧，即宇宙每個(gè)地方的溫度都相等。
哲學(xué)家伯特蘭·阿瑟·威廉·羅素(Bertrand Arthur William Russell)發(fā)出這樣悲觀的感嘆：
"一切時(shí)代的結(jié)晶慕购，一切信仰聊疲，一切靈感，一切人類天才的光華沪悲，都注定要隨太陽系的崩潰而毀滅获洲。
人類全部成就的神殿將不可避免地會(huì)被埋葬在崩潰宇宙的廢墟之中--所有這一切，幾乎如此之肯定殿如，任何否定它們的哲學(xué)都毫無成功的希望贡珊。
唯有相信這些事實(shí)真相，唯有在絕望面前不屈不撓涉馁，才能夠安全地筑起靈魂的未來寄托"门岔。
即使是像控制論之父維納(N.Wiener)這樣的科學(xué)巨匠，最終也"控制"不住自己沮喪的感情烤送，幾乎是在絕望中悲嘆：
"我們遲早會(huì)死去寒随，很有可能，當(dāng)世界走向統(tǒng)一的龐大的熱平衡狀態(tài)帮坚，那里不再發(fā)生任何真正新的東西時(shí)妻往，我們周圍的宇宙將由于熱寂而死去，什么也沒有留下……"
但是试和，「熱寂說」存在著一個(gè)很大的疑問：
①讯泣、「熵增加原理」是基于有限空間得出的結(jié)論，這樣的結(jié)論是否適用于整個(gè)宇宙灰署？
②判帮、「熵增加原理」成立的先決條件是「孤立系統(tǒng)」局嘁，那么如何證明整個(gè)宇宙是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」？
我們回到前面文中留下的問題：整個(gè)「地球生態(tài)圈」是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」嗎晦墙？
答案是否定的悦昵，「太陽」對(duì)「地球生態(tài)圈」的影響非常大，「太陽」一直都在向「地球」傳遞「低熵」能量（陽光）晌畅。
20世紀(jì)60年代但指，「大爆炸理論」越來越受到主流天體物理學(xué)的承認(rèn)，隨著陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)以及支持（哈勃紅移抗楔、氦元素豐度棋凳、3K微波背景輻射……），「熱寂說」?jié)u漸退出主流连躏。
隨著「大爆炸理論」研究的深入剩岳，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙很可能就這么一直膨脹下去，而且膨脹的速度越來越快入热。
這樣的結(jié)局其實(shí)和「熱寂說」很類似拍棕，科學(xué)家們稱之為「冷寂」，不管怎么樣勺良，為300億年之后的事情擔(dān)心绰播，現(xiàn)在還確實(shí)早了點(diǎn)。
我們?cè)僬f回「熵」尚困，「熵」的概念在其他領(lǐng)域的引申有：信息熵（香農(nóng)熵）蠢箩、生物熵、熵病等等事甜，這些概念這里就不展開說了谬泌，有興趣的小伙伴可以自己去了解。
最后逻谦，總結(jié)來說呵萨，「熵」在不同的領(lǐng)域會(huì)有不同的解釋，但其本質(zhì)都是一個(gè)系統(tǒng)“內(nèi)在的無序（混亂）程度”跨跨。
有興趣深入了解「熵」的小朋友，可以從「統(tǒng)計(jì)力學(xué)」囱皿、「信息論」方面入手勇婴，越深入了解就會(huì)越覺得“一切都是天注定”。
哎嘱腥！我腦子里突然蹦出一句話：
“天之道損有余而補(bǔ)不足——《老子》”
既然前面都說到了「熱力學(xué)第一耕渴、第二定律」，咱們就來簡(jiǎn)單說說永動(dòng)機(jī)吧（說機(jī)不說吧齿兔，文明你我他）橱脸。（熱力學(xué)還有第三定律础米，講的是「熵增」為零的狀態(tài)，這里就不討論了）
第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量添诉，卻可以源源不斷的產(chǎn)生能量屁桑，違反了「熱力學(xué)第一定律」（能量守恒定律）。
第二類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量,吸收周圍的能量并輸出使用栏赴，違反了「熱力學(xué)第二定律」（熵增加原理）蘑斧，就像文章開頭的動(dòng)圖，“神奇博士”徒手將能量聚集在雙手上并輸出须眷。
本著飛黃騰達(dá)竖瘾、揚(yáng)名立萬的美好愿望，永動(dòng)機(jī)的發(fā)明者前赴后繼花颗，但都一一失敗捕传。
達(dá)·芬奇早在15世紀(jì)就提出過永動(dòng)機(jī)不可能的思想。
1617 年到1903 年之間扩劝，英國專利局就收到約600 項(xiàng)永動(dòng)機(jī)的專利申請(qǐng)
1775年庸论，法國科學(xué)院決定不再刊載有關(guān)永動(dòng)機(jī)的通訊，并宣布"本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)"今野。
1917 年美國專利局決定不再受理永動(dòng)機(jī)專利的申請(qǐng)葡公。
這倒不是說政府故意打壓“永動(dòng)機(jī)”的民間研究，因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)械是否能“永動(dòng)”問題的關(guān)鍵条霜，根本不在機(jī)械設(shè)計(jì)方面催什，而是在物理定律。
END
文章首發(fā)于公眾號(hào)「死磕冷知識(shí)」
歡迎大家關(guān)注「死磕冷知識(shí)」
「死磕冷知識(shí)」趣味科普宰睡，探索求真蒲凶，一起終生學(xué)習(xí)，探索生命的寬度
