|
有两个量与宇宙中发生的一切有关。它们相互联系，却又逃避被理解：能量和熵。我们将看到这些量如何指导系统的演化，但首先我们必须用一些定义打好基础。  我们大多数人对能量的意义都有一个直观的概念。能量是行动的货币。它是某物改变另一物状态的能力。能量是我们区分“存在”和“虚无”的方式。 在物质世界里，能源基本上有两种类型：
能量E似乎在宇宙中是守恒的。这意味着如果一个物体获得了能量，另一个物体就失去了能量。   能量从一个实体转换到另一个实体，从一种形式转换到另一种形式。大自然憎恶能量梯度。物质能量试图通过释放能量并进入低能量状态来达到平衡。这就是为什么物质从山脉的顶部(在那里它有高的势能)流向底部(在那里它有低的势能)。河流流速降。侵蚀把石头和泥沙带到下面的山谷。  我们很自然地会问，如果宇宙已经存在了几十亿年，为什么能量还在运动？到现在不都平衡了吗？为什么所有的山都没有被夷为平地？ 答案在于能量的创造性孪生兄弟——熵。能量和熵是一个永恒的伴侣。 熵可能是所有科学中最容易被误解的基本量。在许多试图用普通语言表达其意思的尝试中，有“混乱”和“失去活力”。谷歌将熵定义为“代表系统热能的不可用性……”通常被解释为系统的无序程度或随机性。” 虽然熵可能代表能量损失或被解释为无序，但这些属性并不能定义熵。我认为，解释和定义之间的这种混淆是许多人错过熵的基本特征的一个重要原因。 虽然熵可能代表能量损失或被解释为无序，但这些属性并不能定义熵。 那么让我们来看看熵的定义，它很简单：  前面的k只是一个用来计算单位的数。ln是对Ω的自然对数运算符。 最后，Ω是熵定义中唯一具有物理意义的量。Ω，从广义上来说，是熵，它是系统元素可以居住的状态数。
熵，像能量一样，通过比较最容易理解。为了比较不同排列的熵，我们定义了宏观状态和微观状态：
两种宏观状态的熵可以通过计算它们的微观状态数来进行比较。宏观状态有更多微观状态的可能性更大，因为它有更多的方式发生。因此，熵在物理量中是唯一的，因为它随时间在封闭系统中增加。 熵随时间增加的事实意味着系统趋向于对结果有最多的安排。 在我看来，比较不同宏观状态的熵是它最有用的应用之一。它让我们对“生命为什么存在?”到“金融市场的未来会怎样?” 考虑下面的例子: 还记得高中化学中物质的状态描述了它是固体，液体还是气体。这些状态从熵的角度被认为是宏观状态。物质的熵随着它从固体到气体的相变而增加，因为物质的粒子有更多的自由去探索它们的环境。 在固体中，粒子被包含在物体的边界上。对于液体，粒子被限制在容器的底部。对于气体，粒子受其周围环境的限制。物质所能占据的物理边界越大，它的熵就越大。气体宏观状态比液体或固体宏观状态有最多的微观状态。  我们现在准备研究能量和熵是如何相互作用的。 好了，我们知道能量在宇宙中趋于平衡，物质趋向于从高能变成低能。你看到这里的矛盾了吗？矛盾是宇宙的核心驱动力，即拥有更多的能量会让事物以更多的方式进行自我排序。所以高能量态通常也有更高的熵。 想象一个球在一个简单的u形斜坡上来回运动。球在底部的速度越快，能量就越高。它在底部的速度越快，它在斜坡上的高度就越高，它在空间中占据更多位置的熵也就越大。因此，球的能量越高，它的熵就越大。我们现在准备研究能量和熵是如何相互作用的。这是理解关系物理学的开始。 想象一个球在一个简单的u形斜坡上来回运动。球在底部的速度越快，能量就越高。它在底部的速度越快，它在斜坡上的高度就越高，它在空间中占据更多位置的熵也就越大。因此，球的能量越高，它的熵就越大。  能量与熵的关系可以用吉布斯自由能来表示，吉布斯自由能是一个考虑了能量和熵对系统行为的相对影响的量。定义为： 
△表示状态的变化，G是吉布斯自由能，E是能量，S是熵。 当△E为负值时，△S为正值，则△G为负值时，表示系统状态的变化可能是自发的。△G的负值越大，变化的可能性越大。 当△E和△S为同一符号时(两者为负或正)，△G的结果取决于它们的相对大小，而T则是△G变化时所处环境的温度。 温度只是环境环境能量的一种测量方法。为了说明△G的可能性，我们把△E和△S = 0这四种基本的可能性列在一张表中：  现在让我们依次看看这四种可能性中的每一种。每种可能性都有一个原型名称来帮助理解。 吉布斯原型1：△E < 0 &△S > 0 原型：燃烧过程——火 △G: < 0  当△E为负值和△S为正值时，系统向四周释放了能量，同时增加了向四周开放的可能性。这一过程在自然界中最常见的例子是燃烧过程，如火。 在燃烧过程中，储存能量的长而复杂的分子会分裂成小块。这样，它们化学键中的能量被释放到周围环境中，分子中的原子被释放到大气中(火以气体的形式排放二氧化碳和水)。 吉布斯原型二：△E > &△S <0 原型:光合作用 △G: > 0 第二种类型是光合作用。在光合作用中，物质的能量增加而熵减少。来自阳光的能量通过分子键的形成被捕获，这些分子键将气体分子相互连接起来，限制了它们的运动。光合作用原型与火的原型相反。在自然界中，这两个过程循环往复。 因为△G在光合作用过程中总是正的，我们可能以为它们根本不会发生。显然，还有其他因素在起作用。光合作用能够发生是因为： 虽然直接参与光合作用的物质减少了熵，但它们增加了周围环境的熵。 吉布斯能量给出的是可能性，而不是绝对的确定性。总有一个过程发生的机会。 吉布斯原型三:△E > 0和△S > 0 原型:蒸发 △G: 高温时为>，△G: 低温时为< 0 原型三是蒸发。在蒸发过程中，液体分子获得能量，利用这些能量打破液体束缚，进入高熵气体状态。 其他蒸发原型的例子是融化和膨胀。 吉布斯原型四:△E < 0 &△S < 0 原型:冷凝 △G：当高温时，△G为>；当低温时，△G为< 0 冷凝原型包括能量释放和熵下降的过程。当然，这是蒸发原型的伙伴。凝结或蒸发原型的每个过程都有一个类似的相反的过程。 凝结过程的其他例子包括结晶和收缩。 能量的“价值” 我们知道蒸发或冷凝原型的过程会根据温度自发地发生。一种物质在低温下经历冷凝式过程，在高温下转变为蒸发式过程。这两个过程的边界是基于其能量的熵值。 简而言之，如果环境的熵增加量大于物质的熵增加量，物质就会向环境释放能量。同样的道理，当一种物质所获得的熵大于它所获得的熵时，它就会从周围环境中吸收能量。 如果一种物质对周围环境的熵增大于对它自身的熵增，那么它就会向周围环境释放能量。同样的道理，当一种物质所获得的熵大于它所获得的熵时，它就会从周围环境中吸收能量。 这个系统所做的是基于这个问题的答案：如果它需要能量，这些能量会比它现在提供的能量来源提供更多的微观状态吗？如果是这样的话，热力学会促使系统吸收能量。 让我们通过示例来探索这种动态，这一次我们将进入社会领域。 收入再分配 把钱看作是一种可以由个人持有的能量形式。 和其他形式的能量一样，钱越多，持有者的熵越大，因为持有者可以占据更多的微观状态。有钱的人比没钱的人有更多的选择。暂时不考虑意识体验的熵，钱多的人比钱少的人可以去更多的地方旅行。高档餐厅，洲际航班等等。 然而，金钱给予个人的熵值并不是简单的线性关系。考虑1000000元人民币。对于那些有1000人民币的人来说，100万人民币的增加给了他们一个巨大的机会。然而，对于那些拥有10亿人民币的人来说，增加100万人民币使他们几乎没有变化。 如果经济以热力学定律为指导，财富再分配将是这种熵差的必然结果。那些钱少的人会被认为是“冷”，而那些钱多的人会被认为是“热”。最终，就像冷屋子里的热咖啡一样，热力学会规定温度是相等的。 从冷的人的角度来看，环境温度是高的，因为整个经济的平均能量大于他们自己的能量。因此，它们将被迫经历一个蒸发过程，通过从环境中获取能量来增加它们的熵。 从热的人的角度来看，环境温度很低，因为整个经济的平均能量比他们自己的能量要小。因此，它们将被迫经历一个冷凝过程，通过从环境中获取能量来增加它们的熵。 能量差越大，就越有可能达到平衡。这是因为，随着能量分界的扩大，能量的熵值的变化也会扩大。 同样的考虑也决定了水是凝结还是蒸发。水会凝结，把它的能量释放到环境中，而它的能量为环境提供的可能性比为它自身提供的可能性要大。另一方面，当环境的能量为水提供了比它自身更多的可能性时，水就会蒸发。 结论 热力学，即关系的物理学，是一种很有见地的工具，可以用来确定系统的预期行为。为了利用它的方法，我们需要测量系统能量和熵的方法。在物理科学中，这些测量可以通过计算和计数的结合来实现。 在社会科学和心理学中，热力学定律被认为是同样强大的，但在确定系统的能量和熵时遇到了极大的困难。主要的挑战是这些数量是主观的。在一种思想或一种文化中携带“能量”的东西可能与在另一种思想或文化中携带能量的东西非常不同。更困难的是社会或心理“熵”的归属，它描述了可用的心理或社会状态的数量。 然而，我们迫切需要找到合适的方法来解决“困难的问题”、治理、伦理和我们的精神需求，这就要求我们去寻找黑暗和不确定的水域。我相信我们会发现热力学为我们提供了一个巨大的未开发的资源在这些努力。 |
|
|
