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小伙伴们坐稳了！ 今天我们要说一个世界的终极黑暗定律！ 从游戏开始0 别怕，来，一起做几个小游戏先： 请静静地撕掉一本书。 请温柔地打碎玻璃瓶。 请小心地烧掉一张纸。 做完了吗？ 嗯，好。 接下来是第二步： 请把撕掉的书恢复成新书。 请把玻璃瓶恢复得完好无缺。 请把纸烧成的灰变回成纸。 破镜难圆，覆水难收：这些现象在我们生活中早已见怪不怪，可你有没有仔细想过，为什么呢？ 世界不美好1 物理老师不是说过，物质不灭，能量守恒吗？ 可是为什么破镜难圆？ 为什么再完美的手艺也不一定能确保，花瓶的碎片能够恢复成完好无痕的花瓶？ 为什么把活牛制成牛肉酱相对容易，用牛肉酱制作出活牛就是天方夜谭？ 为什么想收获一段感情往往需要付出辛苦的努力，但要毁掉一段感情却有几百种不同的作死的办法？ 有道是物理的尽头是哲学，把这些现象归纳起来，我们就得到了一个哲学高度的通用结论： 万事万物都在不断变化和转换；可是，为什么从有序变为无序很容易，从无序变成有序却很难？ 为什么要毁掉一个事物很容易，要经营好一样事物却很难？ 嗯，这就是宇宙的终极黑暗定律。 下面我们就来详细说说。 一个神秘的概念2 首先要说的是一个高大上的概念： 熵（音同“商”，英文entropy）。 这一概念由德国物理学家克劳修斯于1865年提出。 中文里“熵”这个字的创造是在1923年，德国科学家普朗克来中国讲学时用到entropy这个词。当时讲到的概念，是热量的变化量（dQ）除以温度（T）的商，所以胡刚复教授在翻译时灵机一动，把“商”字加了火字旁，来意译“entropy”，创造了“熵”字。 在希腊语源中，熵意为“内在”，即“一个系统内在性质的改变”。 听着很唬人，而且具体的定义公式也很复杂，可其实意思很简单：最早的熵是物理学家们用来量化热量的改变程度的。 后来这一内涵被推广，用来量化某个封闭系统，乃至整个世界的混乱程度。 熵值越高，就表示某个系统越混乱无序；反之，熵值越低，就表示某个系统越整齐划一。 比如下图中两个房间的对比，前者的熵值就高（混乱），后者的熵值就低（有序）。 再比如另一个例子，同一个魔方的两个不同状态： 显然，前者的熵值高，后者的熵值低。 在生物学的层面，熵也可以用来类比生物的进化程度：生命越高级，越智慧，就可以理解为熵值越低。这一点在科幻名著《三体》系列中有一个直接的应用：在作者描述到银河系核心处的某个假想的高等文明时，以其视角看这个世界，对智慧生命就采用了“低熵体”这一提法。 熵无处不在3 用熵的概念来解释，我们就知道，我们生活中做的各种事情，其实都是在尝试改变熵值： 比如平时家里，那些扫地、洗碗、擦家具、收拾屋子的家务活，其实就是试图降低整个家的混乱度，降低家的熵值。 再比如那些裁缝、手工艺人和各种修理匠，他们的工作都是将熵值高的原材料或者残破品，加工成熵值低的成品。 更进一步，我们给亲人和爱人送的礼物、订的晚宴和套房，其实都是在维系相互关系，把彼此亲近程度的熵值降低。 不过，如果你失手打破了某样东西、或者丢失了某样物品，或者由于某种原因与某个好朋友闹翻了：这时对应的熵值就提高了。 说到这儿，你大概已经看出来了： 没错，让一个物体、一个系统的熵值升高比较容易，但要想降低就比较难。 下面我们看看，物理学家是怎么把这个结论写成我们看不懂的形式的： 孤立系统的熵永不自动减少；熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。 这就是被物理大师爱因斯坦誉为科学定律之最的，大名鼎鼎的热力学第二定律，又称“熵增定律”。 定律的演变4 其实热力学第二定律一开始并不长成上面那个样子。 上面也提到了，最早的熵是用来描述热量的变化的，所以最早的热力学第二定律是说： 描述一：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响； 描述二：不可能从单一热源取热，使之完全转换为有用的功而不产生其他影响； 描述三：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。 这里注意，在物理学中，一般我们认为“热量高”的物体含有的“能量”也就越多。其实两者之间并不是严格一致的，但大体上可以这样去理解。 所以上面的三个描述用我们听得懂的话来说就是，热量（能量）总是从高温（高能）的物体流向低温（低能）的物体；能量在不同的物体之间转换时，总是不可避免会有损耗；在热量的传输过程中，整个系统的混乱度（熵值）总是在增加。 而熵的增加是说，系统总是从比较有规则、有秩序的状态，向更无规则、更无秩序的状态演变。 比如一盆放着的热水总会慢慢变凉，最后和室温保持一致。 ——那冰箱和空调是怎么做到逆天而行的？ 冰箱和空调确实造出了一种“反熵增”的现象：它们能使得某一块区域的温度反自然规律而行，于炎热的夏天造出一个畸低的环境并予以保持；空调还能在冬天造出一个畸高的环境并予以保持。 可是它们其实并没有摆脱热力学第二定律的魔咒： 别忘了他们工作时是需要耗电的，它们的运转是需要系统额外为其输入能量的。 而且输入的能量和它们的成果之间还有损耗。 慢慢揭开的真相5 实际上，热力学第二定律还说明了一件事： 虽然能量守恒的大前提成立不假，但能量之间的转换是有条件、有代价的；在各种能量形式里，热的存在是最常见的；其他形式的能量转化成热很容易，可是热转换成其他的能量——比如做功——就要困难许多。 原因也并不复杂：在微观层面，热是描述的大量分子的无规则运动，而各种做功描述的是大量分子的有规则运动。 这就回到了之前说到的，事物从有规则到无规则比较简单，而从无规则走向有规则比较难。 所以，当我们把熵的概念从狭义的温度变化转向广义的混乱度考量时，热力学第二定律也就露出了它更深刻也更狰狞的面孔： 孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。 简单解释一下： 第一句话是说，一个系统如果没有外力的加入和帮助，那么它将慢慢地陷入混乱； 举例就是： 书籍，放着放着，就落灰了； 铁器，摆着摆着，就生锈了； 家园，荒着荒着，就破败了； 朋友，活着活着，就疏远了。 第二句话是说，如果一个变化是可逆的，那么变化前后的混乱度不变；但如果这个变化不可逆，那么变化后的混乱度一定会增加。 而现实中几乎很难找到真正可逆的变化，不可逆的变化到处都是： 比如林黛玉焚稿断痴情，烧掉的诗句、病逝的人儿再要恢复就千难万难；薛宝钗出闺成大礼，看似获得了暂时的幸福美满，但最终还是难免走向冷闺空门。 所以，让我们再换一个更容易懂的说法可好： 世界正在不可避免、不可逆转地走向毁灭。 这绝不是危言耸听，而是有理有据的科学结论： 每时每刻，整个世界、整个宇宙的混乱度都在不可避免地上升；这个过程会很漫长，很曲折，甚至在某一个局部、某一个区域也许会出现一些反转： 但大趋势永不停歇，也永不会被打断。 用专业术语来说就是： 整个宇宙慢慢由有序变向无序。全世界的熵会随着时间的流逝而增加，当这个熵达到最大值时，宇宙中的所有能量已经全数转化为热能，所有物质温度达到热平衡，这种状态称为热寂。 热，就是热能；寂，就是寂灭，死亡。 这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在，完全死亡。 热力学第二定律告诉我们，宇宙的尽头是毁灭（热寂），这一点就像共产主义社会一定会来临一样千真万确。 低熵体的壮举6 不过，有一点需要注意的是：全世界的熵值不断上升，并不意味着我们就全都对此无能为力。 我们并不会因为房屋和日用品会不断折旧，就停止购置和装饰。 我们并不会因为食物最终都会变成污秽的排泄物，就放弃对美食的追求。 我们更不会因为生命迟早会走到尽头，就放弃对幸福、自由、爱情等美好事物的憧憬。 热力学第二定律作为一条铁律，它也是有条件的，这个条件就是孤立系统。 如果我们能够从系统的外部给它输入能量，那么奇迹一样会发生： 我们完全可以在局部造出吼断桥，水倒流的奇观。 看到长城，都江堰，吴哥窟，哈利法塔这些巧夺天工的作品了吗？ 看到飞机上天，潜艇入海，“一桥飞架南北，天堑变通途”的工程了吗？ 看到琳琅满目，令人垂涎三尺的古今中外的各地美食了吗？ 这些都是人类智慧傲视热力学第二定律的证明。 当然，热力学第二定律告诉我们，高等生物使局部世界变得更加有序的这些行动是逆自然趋势而动的，它意味着需要外界输入更多的能量来实现这一壮举。 比如上面所举的空调和冰箱之例：事实上，由于无处不在的损耗，这些电器能够产出的，用于制冷的能量，只会是它们本身消耗的大量能量其中的一部分。 但没关系，只要我们认为这么做是值得的，那么这些额外的能量输入就没有被白费—— 如果你也曾在炎热的夏季躲在空调屋里享受过那短暂的一抹清凉； 如果你也曾投入大量时间去修补一件心爱的破损之物； 如果你也曾付出巨大努力去维系一段弥足珍贵的感情： 那么这里的道理和价值，你自然明白。 更遑论荆轲、文天祥、狼牙山五壮士等等英雄志士，以螳臂之力挡大厦之将倾：他们难道不知道自己正在做的是注定要失败的事情吗？ 我相信他们是知道的。 但这种明知不可为而为之、与生物趋利避害的自发行为完全相反的主动牺牲自我的行为，恰恰正是大自然造出的低熵体的光辉所在。 黑暗世界的一抹光芒7 所以，小伙伴们！ 说了这么多，可不是为了让我们的悲观厌世找到理论依据的！ 没错，世界确实是不可避免地走向毁灭的深渊，但这绝不是我们放弃治疗的理由。 恰恰相反，我们要认识到，自己作为低熵体是多么来之不易—— 有种说法是，由各种原始的无机物分子组合成DNA，其概率就如同在一场龙卷风里随机落下各种零件，正好就组装成一辆跑车一样不可思议。 更不用说从DNA、RNA再进化成原始生命，再进一步成为高等哺乳动物、产生智慧和高等文明：这一切是多么的不容易啊！ 生活不易啊！ 高等智慧生命就如同在滚滚洪流中的一艘孤帆，在惊涛骇浪里践行着自己的使命——我们要建设我们的世界，使它更加美好；我们要使我们身边的小世界越来越发展，越来越有序，熵值越来越低。 所以，我们走在这条与全宇宙的大趋势逆向而驰的康庄大道上，不得更加好好珍惜自己的生命，获得外界环境中的能量，来改善自己小环境的熵值吗？ 毕竟人生是为了追求美好。 毕竟活着是为了战胜困难。 毕竟逆水行舟，不进则退。 所以，世界的终极定律是黑暗的，这本身不假； 但我们低熵体能够把进化的成果和自己的努力相结合，在这个黑暗的世界里划过一抹光芒。 |
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