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如果物理学只能有一条定律是永恒正确的，你认为是什么？ 牛顿力学、相对论还是量子力学？ 物理学家张首晟教授的答案是熵增定律。  什么是熵增定律？熵的物理意义是体系混乱程度（无序度）的度量，熵增即为在一个孤立系统里，如果没有外力做功，其总混乱度（熵）会不断增大。 当熵达到最大值时，系统会出现严重混乱，最后走向死亡。正因此，熵增定律被认为是有史以来最令人绝望的物理定律。 熵增定律过于抽象，我们来举几个简单的例子。 比如，过年前我们会全家总动员大扫除，把屋里屋外收拾得一尘不染，然而年还没过完，甚至除夕都还没过，整个房间又成了一团乱麻，厨房里又满是油烟。这就是熵增的过程。 再比如，我们的手机会越用越卡，耳机线会缠作一团，放置一旁的热水会慢慢变凉，没人住的屋子会有越来越多的灰尘，太阳也在一直燃烧衰变……这些都是熵增的过程。  无情的熵增机器 其实不仅仅是手机热水，也不仅仅是陈年老屋，整个宇宙皆是趋于无序化的，整个世界最终会变得越来越混乱。因为熵增的存在，所有的一切最终都会走向“寂灭”。 把熵增定律的地位看得如此之高，这并非一家之言，事实上，它是物理学家心目中最坚定的一个信仰。 张首晟教授认为，人类的知识再往前探索，牛顿力学可能被纠正，量子力学可能错误，相对论可能也不对，但熵的公式却是永恒的。 吴军博士曾说，如果有一天人类只能用一张名片记录下人类文明，那么他的答案是三个公式：  薛定谔在《生命是什么》中说，「人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生。」 而提出相对论的爱因斯坦也有言，「熵理论对于整个科学来说是第一法则」。 熵增定律能够有如此多的科学家为其背书，足见其重要性。接下来，我们就来抽丝剥茧，一起揭开熵增定律的神秘面纱。  一切都要从“热”说起 热力学第一定律 英国科学家查尔斯·珀西·斯诺在《两种文化与科学革命》中说，一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕。 在热力学诞生之前，人类其实并不清楚“热”是什么，总是将热与温度的概念混为一谈，直到17世纪，伽利略发明了温度计之后，人们才慢慢明白热与温度的区别。  对于“热”，人们最初的认知可以用“热质说”来概括，即认为热是一种会从高温物体流向低温物体的物质。同时，根据实验，热这种物质是没有质量的，它被称为“卡路里”。  这一理论似乎很有说服力，比如它可以用来解释热水变为冷水的现象，即热水的温度高，表示热质浓度较高，因此，热质会自动流到热质浓度较低的区域。 但18世纪末，美国人伦福德发现了“热质说”的漏洞——它无法解释摩擦生热的现象。 伦德福是一个工程师，他在钻制大炮的过程中发现铜炮在钻了很短一段时间后就会产生大量的热，被钻出的铜屑则可以热到直接融化，而这些摩擦所生的热就好像是无穷无尽的，但是，铜里面怎么可能包含如此多的热质呢？因此，他认为热不是一种物质，而是一种运动。 可惜的是，由于伦德福的政治立场，当时的人们并不相信伦德福提出的异类观点。直到19世纪，德国医生迈尔和英国物理学家焦耳才逐渐改变了人们的观念。  迈尔给生病船员放血时观察到一个现象，热带病人的静脉血不像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是像动脉血那样鲜艳，即人生活在热带和温带时静脉血颜色不同。 这一现象使他想到食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热——在热带高温情况下，机体只需要较少的热量，因而机体中食物的燃烧过程相应减弱，静脉血中留下了较多的氧，颜色更鲜艳。 由此，他认识到热是一种能量，生物体内能量的输入和输出是平衡的，并在后来成为完整地提出了能量转化与守恒原理——热力学第一定律的第一人。 焦耳是个 “富二代”，在他父亲的资助下研究磁电动机。通过磁电动机的各种试验，焦耳注意到电动机和电路中的发热现象，他由此开始进行电流的热效应研究，并花了将近40年的时间来证明功转换成热时，功和所产生热的比是一个恒定的值，即热功当量。  1848年，他通过实验证明，当物体所含的力学能转换为热能时，整体能量会保持不变，能的形式可以互相转变。在此之上，焦耳逐渐发展出了热力学第一定律，并为热力学的整体发展确立了基础。 永动机真的存在吗？ 热力学第二定律 既然能的形式可以互相转变，那么，不需要能源就能永远工作的机器是否存在呢？  人类对永动机的追求并非始于工业革命，早在公元13世纪，人们就已经提出了制造永动机的想法。15世纪，西方人文主义觉醒，整个社会对能量的需求越来越大，于是，众多领域大神也纷纷投身其中，希望能够找到制造永动机的方法，这其中就有达·芬奇。 达·芬奇认为，轮子左半面的球比右半面的球离轮心更远，因此左半面球产生的力矩更大，这样轮子就会沿箭头方向转动不停。  达·芬奇设计的永动机示意图 理想是美好的，现实是否定的。实验证明，达·芬奇的永动机最终会停下来。因此，达·芬奇得出结论：永动机不可能实现。 当然，人类可不是这么轻易言败的生物，工业革命后有更多的人投入到永动机的制造之中。但事实证明，所有设计方案都以失败告终了。在无数次失败后，人们终于承认，不可能出现没能量输入而一直对外做功的装置。 所以，热力学第一定律最初是针对“永动机的设计”而提出的，而热力学第一定律却彻底灭杀了这一类永动机追求者的幻想。 卡诺，是一个才华横溢的青年，他对永动机并不感冒，不过他相信错误的“热质说”， 还依据错误的“热质说”和“永动机械不可能”两个原理导出了卡诺定理。 他认为热能之所以能转换成功，是因为“热质”从温度高的地方流向温度低的地方，能够推动热机运转，这说明热机的最大热效率只取决于其高温热源和低温热源的温度。该定理其实是热力学第二定律的结果。 不幸的是，1832年，卡诺36岁即患病身亡，直到四十多年之后，人们在卡诺仅存的一个笔记本里发现，卡诺最后放弃了“热质说”， 转为热的运动说，并几乎悟出能量守恒定律。 1850年，在热力学第一定律与卡诺定理的基础上，克劳修斯提出了热力学第二定律，认为热量总是从高温物体传到低温物体，不可能做相反的传递而不引起系统其他变化，这意味着热传递具有方向性和不可逆性。 英国勋爵开尔文从热功转化角度出发，提出了“热力学第二定律的开尔文说法”——物质不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 自此，名垂寰宇的热力学第二定律诞生。 热力学体系的逐步建立，让人类彻底认清持续千年的神秘永动机不过是海市蜃楼罢了。 让人绝望的热寂论 熵的出场 热力学定律里最能打击人的当属第二定律，因为仔细想想，它并不限于热力学，它还可以延展到社会学，以至宇宙学。 在我们习以为常的生活中，自然界和人类社会看似井然有序，可实际上无序和混乱一直在暗地里生长。如果没有外力影响，事物将永远向着更为混乱的状态发展。 可这种混乱状态该如何衡量呢? 1854年，克劳修斯找到了一个用来衡量孤立系统混乱程度的物理量“熵”，并用ds表示熵的增量—— 加热过程可逆的情况下，熵的增量为： 加热过程不可逆的情况下，熵的增量为： 式中，dS为熵增；dQ为熵增过程中系统吸收的热量；T为物质的热力学温度；下标r为英文 reversible (可逆）缩写，下标ir为英文irreversible (不可逆）缩写。 将上述两种情况综合起来就可以得到： 在这一公式指导下，克劳修斯得出了一个重要结论：封闭系统下，熵不可能减少，即dS≥0, 这证明了自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的。 由此，热力学第二定律被推广到了更为广阔的意义上，它可以概括为宇宙的熵恒增，即熵增定律。而“熵”，从此成为了科学界描述隐秘和忧伤的代名词。 当它与时间联系在一起时，时间无法倒流 (黑洞内部除外）；当它与生命联系在一起时，则如一根尖针戳穿了人类长生不老的美梦；而当它与宇宙联系在一起时，它更似一部剧本，写清了宇宙的前世今生和最终走向。 1867年，熵增定律被用于宇宙，克劳修斯提出了传说中的热寂论。 一旦热寂论被证实，人类千百年的奋斗与拼搏就像一场徒劳无功的笑话。 想象一下，整个宇宙的熵会一直增加，伴随着这一进程，宇宙变化的能力将越来越小，一切运动都会逐渐转化为热运动。整个宇宙将会达到热平衡，温度差消失，压力变为均匀，熵值达到最大，所有的能量都成为不可再进行传递和转化的束缚能，宇宙都最终进入停滞状态，陷入一片死寂。 更为悲怆的是，熵在揭露宇宙终极走向的同时，也让我们看清了自己的渺小。我们不仅不可能造出永动机，而且能量也终有一天会枯竭。 人类像是一步步去看清宇宙真相的孩子，我们从直立行走到点燃普罗米修斯之火，从男耕女织到走进蒸汽时代，从电磁统一到走进信息社会······但是面对熵，却依旧似一个光脚的孩子，手足无措，无力去阻止宇宙的毁灭。一句“熵增是宇宙万事万物自然演进的根本规律”， 就可以把我们困于绝望之中。 生命可以抵抗熵增吗？ 以负熵为食 无数自然现象都印证着熵增原理的正确性，既如此，那我们身处的这个世界又为什么总是生机勃勃呢？或许生命现象是一个例外，它能够抵抗熵增？ 生命是一个可以总是维持低熵的奇迹。一个生命，在它活着的时候，总是保持着一种高度有序的状态，各个器官和细胞的运作井井有条，只有死后才会很快化为一堆无序的物质。在自然科学家和社会科学家看来，生命是高度有序的，智慧也是高度有序的。 可在一个熵增的宇宙中，一切本该发展为混乱无序的存在，又为什么会出现生命，进化出智慧？ 这存在于生命中有序化、组织化、复杂化的负熵似乎违背热力学第二定律。 生命真的可以抵抗熵增吗？这个问题，薛定谔有自己的答案。 在《生命是什么》一书中，薛定谔独辟蹊径地把熵与生命结合起来，石破天惊地提出了一个观点：生物体以负熵为食，一个生命有机体天生具有推迟趋向热力学平衡（死亡）的奇妙的能力。从有机生命系统来看，所有的生命都有一个终点，那就是死亡，每个人熵最大化的状态便是死亡。 因而，人在生命期限内，只有一直保持不稳定的状态，才能对抗熵的增加。对抗熵增也意味着人要让自身变得有序，如何变得有序呢？ 薛定谔提出：生物体新陈代谢的本质，是使自己成功地摆脱在其存活期内所必然产生的所有熵。人通过周围环境汲取秩序，低级的汲取秩序是求生存，这是生理需求；高级的汲取秩序则是增强自身技能，在与他人和社会的交往中获益。 但无论怎样，其行为本质都是人为吸引一串负熵去抵消生活中产生的熵增量，这是人类生存的根本：以负熵为食。 宇宙天然而熵增，它俯瞰众生，侵蚀万物，比起那岿然不动的山更为渺茫。放眼历史，喧嚣过后终归无声，热寂才是最终归宿。 但人类以负熵为食，即使面对宇宙热寂，也从未胆怯止步。内以新陈代谢消除有机体内产生的熵的增量，外则不断在环境中建立“有序”社会，力图使一切维持在一个稳定而又低熵的水平之上。 纵然微小若星骸尘埃，也要求得自我的生命意义；纵然仅仅拥有数十年光阴，也要为这混乱的宇宙建立秩序。 |
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