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理解热力学第二定律,比读任何鸡汤都更能让人感到幸福

2019-09-18  石头开花9...

高中物理里,有一个著名的热力学第二定律,可惜属于选修,认真学过的人并不多。但一个诡异的事情是,毕业工作之后,你会在好多领域(像是经济学、系统学、信息学...)看到它的身影,甚至很多人从哲学的角度,对它无比膜拜。

写这篇文章,纯粹不是为了流量(这种文章不可能有流量的),而只是为了一些人。

如果是学生,认真读这篇文章,你会感到物理书里的东西,不但会帮助我们理解客观世界,更会给生活、乃至人生带来巨大的指导意义。

如果是成人,希望大家能理解宇宙、生命和人生的一条基本规律。这样,大家一起生活的,会感受到更多的感恩和爱,变得更加幸福。

以下为正文。分三个层次进行介绍:

1 物理学里的意义;

2 对生活的启发;

3 对人生的指导意义;

1 物理学里的意义

按照高中物理书上的说法。热力学第二定律,有三种表述形式,分别为:

克劳休斯表述法:热量不能自发地从低温物体传到到高温物体

开尔文表述法:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他的影响

微观表述法:一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行

后来,人们为“分子热运动的无序性”定义了一个参数,称之为“熵”,因此微观表述法也被称为“熵增定律”(这个词在很多领域都会提到)。

当年高中的时候,老师反复强调,这三种表述方法是等价的。但我一直都搞不明白,这三句话明明说的是三件事情,为什么书上却说是同一件事情?

理解这个点,需要很多年的观察和感悟。如果一个高中生真的能理解它的意义,毫无疑问会对物理学的哲学意义,产生浓厚的兴趣。

这篇文章只会粗略带过物理学意义,因此只举一个例子来说明:空调。

凭借生活经验,我们能感受到克劳休斯表述法(热量不能自发地从低温物体传到到高温物体)。确实,热水放在屋里只会慢慢变凉,而不可能慢慢变热。

一般人,可能也就理解到这了,但物理学家总会多想一步,因此有了开尔文表述法(不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他的影响)。它之所以这么说,就已经不满足于仅仅总结现象了,而是提升了思考的维度:

如何能让热量从低温物体,传到高温物体?

经过反复的试验,开尔文发现,这并非是不能实现的,只是你要付出“代价”,开尔文称之为“其他影响”。

你可能觉得,让热量从冷物体传到热物体,也就是冷的更冷,热的更热,这真的可能么?其实我们每天都在用,即空调。

炎炎夏日,外面很热,屋里可能会稍凉爽一点。按照热量从高温物体传递到低温物体的规律,热浪只会不断从室外涌入室内,毫无办法。但空调的发明,实现了相反的过程:把热量从屋里抽走,排到外面去。因此,屋里会越来越凉快,而外面会越来越热。

这是相当违反自然定律的事情,相当于桌上有一杯水,突然一半变得越来越热,另一半越来越冷。根据热力学第二定律,为了实现它,我们要付出一定的代价:即花费额外的电能。

我们花费了很多电能,用来搬移热量,却不能消灭热量。相反,用电本身还会产生更多的热能。因此,从整体来讲,大量空调的使用,会让整个城市的整体问题升高,我们可以把它看成是,人类获得室内凉爽的“代价”。

至于第三种微观表述法(一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行),对此的研究就更进一步了。它不是只描述现象(克劳休斯表述法),也不是想着怎么去技术改进(开尔文表述法),而是真正尝试去解释,这种客观规律的根本原因,因此,它的适用性一下子扩展到了相当多的领域。

2 对生活的启发

微观表述法(一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行)实际上描述了世界运行的底层规律:

所有事物都会向着一个确定的方向发展,而不幸的是,这个方向是秩序的反面:无序。

类似的例子太多了。墨水滴到水里会渐渐散开,再也没法重新聚集;花瓶很容易摔碎,而且一旦摔碎了,就很难复原;如果没人打扫,城市会越来越乱,以至于无法居住;甚至物理学预测的宇宙,也会慢慢化为一团飞灰,

不再有任何生机。

热量会从热的物体传导到冷的物体,也只不过是这规律的一个侧面而已。

知道了这个,对我们的生活有什么意义呢?

是有的,你可能会多一个角度来评价生活的意义。

从工业革命的大生产时期,人类渐渐形成了一种价值观。我们总感觉物质、能量,这些东西是最重要的。因此,我们拼命扩张领土、聚集财富、把公司越做越大、认为拥有的房产、钱财、权利越多就越成功。

我们天天口中所说的,小到个人的财富危机、大到全球的能源危机,都是从总量上去评价,这是一种能量思维

但渐渐人们发现,只要技术足够,能量根本不是问题。我们总是担心石油用完了会怎么办,可只要有技术,能源其实是取之不尽的。不管是太阳能还是核能,或者到太空里去寻找新的矿石能源,宇宙里的物质和能源,几乎等同于无限。

甚至我们一直抱有的思想:我们会“用掉”能源,也是很傻的想法。能量是守恒的,我们根本没法把它“用掉”,只不过是把它从一种形式,变成了另一种形式而已。

渐渐人们发现了,我们缺少的并不是“能量本身”,而是“能量的秩序”。

什么叫能量的秩序呢?特别简单,我把一勺酒精点燃了,变成了水和二氧化碳,放出了热量。这里,无论是物质还是能量,都是守恒的,真正变的,只是能量的秩序:从化学能变成了热能。

再举一个例子,我把一个小球从高处抛下,落到地上。看似损失了重力势能,但其实并没有损失,它只是转变成了热能、形变能、声能等。

我们所谓的发电,也并不是真的“制造能量”,而是把一种能量,转变成电能而已。而能量有一种特性,很容易从秩序高的能量,转化为秩序低的能量,但无法反过来。

所以我们只听说过太阳能、核能、火力、水力发电,因为这些能量秩序都很高,容易变成秩序稍低的电能;但很少听说声能发电,因为声音这种能量的秩序太低了,以至于几乎不可能再重新收集起来,转化为高级能量。

因此,我们确实是在“用掉能量”,只不过是在不断把能量从“高秩序”用成“低秩序”而已,而不是把他们的总量用掉了。

你可能会问,为什么会有那么多高秩序能量可以用呢?这就要感谢太阳了。太阳提供的光子流,是一种秩序极高的纯能量,生物通过叶绿素把这种高级能,转化为地球能量最常见的形式:化学能。所有的生命能够生存,理论上都来自于近乎无限的高秩序能量输入。

因此,太阳的价值,并非只是提供能量,而是提供了“高秩序”的能量。试想,如果有个巨大的能量源,一只开着大喇叭朝地球发声(暂不考虑传输问题),理论上也是可以不断传输能量的,但根本无法让生命诞生。只因为声音虽然也算能量,但基本算是能量里用剩下的“污水”,很难再被生命二次利用了。

解释了这么多,都是在于阐述“能量思维”的局限性,真正的智者,需要渐渐认真考虑“能量秩序”的问题了。这对生活的启发极大。

以学习为例,大部分孩子目前仍处在不断吸收知识总量的阶段。他们以及他们的家长都以为,花的时间越多、背的知识越多、做的题目越多,掌握的东西也就越多。

这种学习法,很类似于不管什么东西,都往家里拾。看似拥有的财物总量大,却是一团乱麻,毫无秩序,以至于家里没有任何舒适感。

很多孩子的脑子,都是这种状态。他们根本没有任何总结和梳理能力,不知道知识点之间的结构联系,按照我们物理学的标准来说,拥有的都是“毫无秩序”的知识。这种知识结构,看似总量很多,但秩序太低,以至于没有什么再利用价值,也不可能催生出真正有思想的大脑。

只需要多考虑一下拥有之物的秩序,会对生活里的各种事情,产生不一样的评价标准。

禅修之人讲究“少即是多”,在意的就是拥有之物的秩序,而非数量。

日本“断舍离”式的整理之法,也是通过清理过多的数量,让家里充满整洁和秩序之美,以提升整个人的幸福感。

冥想,也类似于一种头脑清理术,你会发现,思考的问题少了,才能更好地思考问题,达到更高的境界。

3 对人生的指导意义

最后我想说的,是热力学第二定律对人生观的影响。真的理解它,有助于你变成一个充满感恩的人。

佛学里有三毒的概念,即贪、嗔、痴。前两者贪欲和嗔怒,在我看来都来自于对生活的不满。现实世界里,你能看到大把的人,充满了抱怨和愤恨。

开车的时候,前面有人转弯挡了他一下,他会骂对方没脑子;工作的时候,领导安排工作没太考虑周全,会吐槽一晚上;外出吃饭发现一个服务没到位,恨不得抓住机会狠狠训服务员一顿;当然,和家人交流的时候会有更多的细节摩擦,会感觉为什么总是跟我过不去?

记得有个电视节目,模拟了一个场景。节目组在饭店里事先安排好,趁顾客不注意的时候,打翻他们桌上的红酒,然后快速离开,只留服务员在桌边打扫卫生。

几乎所有的顾客,回过头看到红酒被打翻,都会直接指责服务员,说是他打翻的,而根本不顾“自己根本没有亲眼看到”的事实。只因为一个原因,红酒翻了,服务员离得最近,因此他要负责。

这种思维,扎根于一种巨婴式的人生观里:一切不顺利,都是因为别人的过错,需要有个坏人来负责!

而真正理解热力学第二定律的人,就不会这么来理解问题。因为我们明白,世界本来就会朝着无序的状态发展。

马路自然会脏的、杂草也会丛生,这是规律;屋里会越来越乱,这也是规律;饭菜不会自己跑到桌子上,这是规律;人会生老病死,这更是规律。一切并非是某个人的责任。

但为什么,我们发现马路并没有越来越脏呢?屋里也一直很整洁?总会有可口的饭菜?而人的寿命,也会越来越长?

懂得热力学第二定律的人,不难问出这个问题。而一旦问出这个问题,就离发现这个世界最美好的秘密不远了。

那是因为,有无数的人在花费着巨大的努力,努力维持着一切的秩序。他们以一己之力,抗衡着物理学规律,也因此,他们在默默支付着我们之前提到的“代价”。

早晨4、5点钟,清洁工就在努力工作了;爸妈每天在花费时间,整理着屋子,为你做可口的饭菜;无数医生加班加点努力工作,为我们提供最好的医疗服务。

只不过,没人能真正把一件事做到100分。这时候,看问题的视角就显得特别重要,足以决定他和世界的关系

巨婴们,总是以为世界应该处处令他们满意,稍有不足,就是某个坏蛋在跟自己做对,因此他们仇恨着别人。

而成熟的人们,知道世界本就是不完美的,而且会一直朝着无序的方向发展。当他们享受到任何哪怕不太完美的服务时,也会报以感恩的心,因为他们明白,能在无序的宇宙中创造出这么一点秩序,也一定是某些人、支付了相当的代价才换来的。

就我自己来说,自从想明白这一点,去到相同的麦当劳里,看到的事情就全然不同了。

以前的我,会各种挑剔,感觉他们都没有用心去做,如果我来开店一定会做得更好。

然而,真的自己开店了之后,才发现哪怕每天擦一遍门,也并不简单,才发现原来麦当劳里做到的种种,真的是一个团体精心付出了巨大努力才能维持的。

再到那里,我为能在炎炎夏日里、能在暴雨暴雪中、能在深夜晚归时,找到这么一个舒适的环境,能吃到标准化味道的食品,而深深地感恩。

4 小结

感恩并非是一种可以被塑造的行为,也不是通过控制情绪所能达到的状态。它的本质,是对客观规律的深刻理解

就像之前提到的佛学三毒“贪嗔痴”,贪嗔表现出的不满,只是一种表象,其根源仍然在于最后一点“痴”,即缺少智慧。不理解一切的原因,是终究无法通过控制情绪来实现感恩的。

而治疗三毒的方法,佛学里也提供了层次鲜明的三种路径:“戒定慧”。

戒,指通过外在的行为戒律,来约束内心,为初级;

定,通过禅修打坐等意念的修行,来化解情绪,为中级;

慧,通过洞悉根本规律,获得大智慧,完成最终的涅槃。

从这个角度来讲,学习数学和物理,显然是理解万物根本规律的好方法,是获得大智慧的基本功。

可惜的是,我们现在的数学物理课程,多还是纠结于套路和解题,即便是如此有韵味的热力学第二定律,多数老师根本讲不明白,只是让学生背下来,这不能不说是暴殄天物。

曾经,试探性地跟一些初高中的孩子,聊过这些问题。能量守恒啊、空间和维度啊、相对论和时空穿梭啊、还有热力学问题,看似是物理,实则关系到每天的生活、成功的秘诀、生命的原理、人生的意义、宇宙的归宿。

从他们的反映来看,至少会对物理学的深刻,有了一些基本的认知;天资比较好的,会有一种神游天际的感觉,眼睛里闪着光。这种感觉,是刷50套试卷,也无法带来的,是对某个学科、某种领域的赞叹和向往。

而这,正是当今学生们最缺少的东西。

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