熵:宇宙的终极规则

作者:阮一峰

1、

有人曾经问我:“成年后,有没有书籍改变过你的世界观?”

我想了想,还真有这样的书。那时,我已经工作好几年了,偶然在图书馆翻到一本旧书《熵:一种新的世界观》(上海译文出版社,1987)。

那本书是科普著作,介绍物理学概念“熵”。中学毕业后,我再没有碰过物理学,但是没想到读完以后,我看待世界的眼光都变了。

“熵”这个概念非常简单,很容易理解,但又异常强大,可以解释很多事情。这篇文章,我就来谈谈,为什么你应该懂得熵是什么,它可能也会改变你的世界观。

2、

为了理解熵,必须讲一点物理学。

19世纪,物理学家开始认识到,世界的动力是能量,并且提出“能量守恒定律”,即能量的总和是不变的。但是,有一个现象让他们很困惑。

(上图的单摆,在两侧的最高点,势能最大,动能为零;在中间的低点,动能最大,势能为零,能量始终守恒。)

物理学家发现,能量无法百分百地转换。比如,蒸汽机使用的是热能,将其转换为推动机器的机械能。这个过程中,总是有一些热能损耗掉,无法完全转变为机械能。

一开始,物理学家以为是技术水平不高导致的,但后来发现,技术再进步,也无法将能量损耗降到零。他们就将那些在能量转换过程中浪费掉的、无法再利用的能量称为熵。

后来,这个概念被总结成了“热力学第二定律”:能量转换总是会产生熵,如果是封闭系统,所有能量最终都会变成熵。

3、

熵既然是能量,为什么无法利用?它又是怎么产生的?为什么所有能量最后都会变成熵?这些问题我想了很久。

物理学家有很多种解释,有一种我觉得最容易懂:能量转换的时候,大部分能量会转换成预先设定的状态,比如热能变成机械能、电能变成光能。但是,就像细胞突变那样,还有一部分能量会生成新的状态。这部分能量就是熵,由于状态不同,所以很难利用,除非外部注入新的能量,专门处理熵。

(上图,能量转换过程中,创造出许多新状态。)

总之,能量转换会创造出新的状态,熵就是进入这些状态的能量。

4、

现在请大家思考:状态多意味着什么?

状态多,就是可能性多,表示比较混乱;状态少,就是可能性少,相对来说就比较有秩序。因此,上面结论的另一种表达是:能量转换会让系统的混乱度增加,熵就是系统的混乱度。

(上图中,熵低则混乱度低,熵高则混乱度高。)

转换的能量越大,创造出来的新状态就会越多。高能量系统不如低能量系统稳定,不仅因为前者更容易发生能量转换,还因为在转化过程中会创造出更多的状态(即更多的熵)。而且,凡是运动的系统都会有能量转换,热力学第二定律就是在说,所有封闭系统最终都会趋向混乱度最大的状态,除非外部注入能量。

(上图中,冰块是分子的有序排列,吸收能量后,变成液体水,分子排列变得无序。)

5、

熵让我理解了一件事,如果不施加外力影响,事物永远向着更混乱的状态发展。比如,房间如果没人打扫,只会越来越乱,不可能越来越干净。

(上图中,如果不花费能量打扫,房间总是越来越乱。)

为什么“世间好物不坚牢,彩云易散琉璃脆”?就是因为事物维持美好的状态是需要能量的,如果没有能量输入,美好的状态就会结束。

这就是我世界观的变化。我从此认识到,人类社会并非一定会变得更进步、更文明。相反地,人类如同宇宙的其他事物一样,常态和最终命运一定是变得更混乱和无序。过去五千年,人类文明的进步只是因为人类学会利用外部能量(牲畜、火种、水力等等)。越来越多的能量注入,使得人类社会向着文明有序的方向发展。

从小,我受到的教育是“明天会更好”。现在我明白了,这句话是有条件的。正常情况下,明天其实会更糟,因为熵在累积,只有不断注入新的能量处理熵,明天才会更好。

(上图中,经过130多亿年的膨胀,宇宙变得越来越无序了。)

6、

工业革命以后,人类社会的进步速度加快了,变得更加先进有序,消耗的能量也指数级地增长:水力不够了用煤炭,煤炭不够了用石油,石油不够了用核能。

能量消耗越大,就会产生越多的熵。因此,人类社会始终处于一种矛盾状态:整个社会变得更加有序和严密的同时,无序和混乱也在暗处不断滋长。

我们只是依靠更大的能量输入,在压制熵的累积。不断增加的熵,正在各种方面爆发出来:垃圾污染、地球变暖、土地沙化、PM2.5、物种灭绝……甚至心理疾病、孤独感和疏离感的暴增,我认为都是熵的增加对人类精神造成的结果。

我们需要能量,让世界变得有秩序,但这样是有代价的。物理学告诉我们,没有办法消除熵和混乱,我们只是让某些局部变得更有秩序,把混乱转移到另一些领域。

7、

人类社会正在加速发展。表面上,我们正在经历一个减熵过程,一切变得越来越有秩序,自动化带来了便捷。但是,能量消耗也在同步放大,为了解决越来越多的熵,我们不得不寻找更多的能量,这又导致熵的进一步增加,从而陷入恶性循环。

迄今为止,人类一直能够找到足够的能量,解决熵带来的混乱。但是,这种解决方式正变得捉襟见肘。如果我们继续像现在这样加速发展,那么终有一天会出现能量缺口,地球上的能量不足以解决熵,那时一切就会发生逆转,仿佛细小的裂缝演变成巨大的雪崩,秩序开始崩塌,世界走向混乱。

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