宇宙属性--熵增

熵增定律：一条宇宙级规律   01宇宙级定律 如果地球即将毁灭，你只能在一张名片上写下代表人类所有文明精髓的定律，以便让其他文明知道我们曾经有过的文明，你会写什么呢？ 是牛顿力学、相对论，还是量子力学？ 吴军博士的选择是三个公式： 　　1+1=2、E=mc²和S=-∑P ln P。 第一个代表人类全部的数学文明，第二个是爱因斯坦质能方程，第三个是熵的定义。     那么，假如让爱因斯坦自己来选择的话，他可能会把熵理论置于自己的质能方程之上。 爱因斯坦说：“熵理论对于整个自然科学来说是第一法则。” 不仅如此，爱丁顿爵士曾说： “熵增定律是整个宇宙中最至高无上的定律。如果有人指出你的宇宙理论与麦克斯韦方程不符，那么可能是麦克斯韦搞错了；如果你的宇宙理论与观测相矛盾，呃...观测的人有时也会把事情搞错；但假如你的理论违背了熵增定律，我就敢说你没指望了，你的理论只会丢脸、垮台。” 这位天体物理学家是用英语向英语世界宣讲爱因斯坦广义相对论的第一人。 曾经有记者问爱丁顿：“是否全世界只有三个人真正懂得相对论？” 爱丁顿思考了一下回答说：“我正在想第三个人是谁？” 物理学家张首晟教授也说过，如果物理学只能留下一条定律，我会选熵增定律。 熵增定律到底是什么？ 它到底有什么魔力，以致于能让最伟大物理学家们集体信仰它并为它背书呢？ 02熵增定律 什么是熵增定律？ 熵的物理意义是分子无序化的量度，换句话说，熵是对体系混乱程度的一种度量。 而熵增，即是在一个孤立系统中，事物总是自发、不可逆的朝着熵增加（混乱）方向进行。当熵达到最大值时，系统就会出现严重混乱，最终走向灭亡。 可以说，熵增定律是人类至今为止所发现的最令人忧伤和绝望的物理定律。   举栗说明： 比如，女朋友第一次要去你宿舍时，你起的比鸡还早，激情澎湃的动员室友帮忙打扫卫生，平时注意不到的角落都被清理的一尘不染，床铺和书桌物品摆放如同军营里的整齐划一。但没过几天，鞋子衣服到处堆，外卖盒子满地放，宿舍又变回了全国“统一标准”，这种走向混乱的结果就是熵增过程。 又比如，装在包里的耳机线总是会缠作一团；久放不用的物品会逐渐腐坏；长久不维护的人际关系会渐行渐远，直至变得陌生；不加清理的手机电脑，会越用越卡；不注意饮食锻炼的身材会越跑越偏；无人居住的房子会加速破烂，就连太阳也一直在燃烧衰变。 这一切，都由熵增定律支配着。 无论自然界、人类社会，抑或浩瀚宇宙，一切事物从整体上都在向着无序化迈进。 因为熵增的存在，整个世界最终会变得越来越混乱，也许会连同宇宙最终走向寂灭。 既然整个世界最终都朝着混乱行进，渺小如粟的我们是否就应该顺应熵增，提早躺平做一只混沌的咸鱼呢？ 别急，我们先来看一下熵增定律的神秘面貌。 03热力学第一定律 早在古代社会，人们就对自然现象产生了很多疑问，比如为什么一杯热水放久了会变凉，加热以后又会变烫呢？ 18世纪中叶以前，人们一度认为温度就是热，不同热的物体间相互传递的就是温度。 这时候人们对于温度和热还处于傻傻分不清楚的阶段。 在伽利略发明了温度计以后，人们才慢慢清楚热和温度之间的区别。但这时候对热的认识还停留在“热是一种物质”的阶段，即“热质说”。 既然热是一种的物质，那么它就是有质量的，高热质浓度的水会流向低热质浓度的区域，所以这就能解释热水变凉现象了。 但德国的迈尔医生在一次驶向印度尼西亚的航行中，给生病船员做手术时，偶然发现热带地区病人的血液颜色比温带地区病人的血液更加新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。 由此，他认为食物中含有化学能，并且可以转化成热能。在热带地区环境温度较高，因此人的身体只需要较少热量。所以身体中的食物燃烧过程会减慢，因而留下了较多的氧，血液颜色才更加鲜艳。 总之，迈尔认识到热不是一种物质，而是一种能量。 后来，他又完整的提出了能量转化与守恒的思想。 他说：“在死的或活的自然界中，能量永远处于循环和转化之中。” 1848年，焦耳又通过精心设计的实验，证明了物体所含力学能在转化为热能时，整体能量保持不变，能的形式是可以互相转化的。 这也就提出了热力学第一定律，并奠定了它的实验基础。 04源自热力学第二定律 既然能量的形式可以互相转化，而且能量可保持守恒，那么设计一台能靠自身能量转化保持永恒工作的机器，岂不美滋滋？ 但“人有多大胆，地有多大产”终究只是人类的一种乌托邦式愿景。 事实证明，永动机是不可能存在的。 1850年，克劳修斯提出了名震寰宇的热力学第二定律，并将其表述为：“不可能把热量从低温物体传递到高温物体，而不产生其他影响。” 1851年，开尔文以第二类永动机不可能实现作为出发点，又把热力学第二定律表述为：“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。”   这两种表述实际上是等价的，只不过角度不同而已。 无论如何，在提出热力学第二定律后的第15年，克劳修斯又首先引入了“熵”概念，并用熵增定律定量阐明了热力学第二定律。 所以，熵增定律其实是由热力学第二定律推出的。 至此，热力学第二定律就被扩展到了更为广阔的意义上，熵增原理也逐渐渗透到信息论、生命科学，乃至宇宙学当中。 它将自然和人类社会的发展规律囊括其中，成了科学上描述隐秘和忧伤的代名词。 05隐秘与忧伤的代名词 熵增定律告诉我们，事物总是自发、不可逆的朝着混乱方向行进。 人类和宇宙之熵也在不断增大，人体会走向死亡，世界将变得无序，宇宙会归于寂灭。 热力学第二定律告诉我们，不可能把热量从低温物体传递到高温物体，而不产生其他影响。 什么叫作“其他影响”呢？ 举个栗子，冰箱可以把低温传递到高温物体，但冰箱需要插电耗能，需要排出氟利昂等废物。 而这些影响就是，它们将使环境中的熵得到增加，从而在更宏观的意义上成为世界越发混乱的局部组成。 想象一下，整个宇宙的熵会不断增加，伴随着能量的交换和在交换过程中产生的影响，经过一定时期后，宇宙的变化能力会越来越小。 世界丰富多彩的非平衡状态将向平衡状态发展，整个系统会呈现出均匀单一的特征，当熵值达到最大时，世界将进入僵死、混乱无序的状态。 假如克劳修斯将熵增定律运用于宇宙学后，提出的“热寂论”被明确证实的话，那么宇宙的终点就如人体一样，将归于灭亡。 人类的星辰与大海也将被这注定了的结局蒙上一层悲怆的苍凉。   我们从单细胞生物进化而来，在不断的适应与筛选中逐渐变得“高级”。我们的祖先第一次直立行走时，也许还不习惯俯视世界的感觉。 但从阡陌交通，鸡犬相闻的小农社会，发展到万物互联的信息社会，人类早已适应了主宰世界的节奏。 伴随着对自然和宇宙的一次次征服，到头来才知道，面对浩瀚星空，我们最终要学会的只是臣服。 “熵增定律是一切自然法则中最至高无上的定律”，只此一句，我们就只能低眉、闭目。 06生命以负熵为食 面对这一铁律，人类就只能听天由命吗？ 答案是否定的。 1943年，奥地利物理学家、量子波动力学创始人薛定谔在《生命是什么》一书中，石破天惊的提出了“负熵”概念，首次将熵理论和生命结合在了一起。 薛定谔提出：“生命以负熵为食。” 正熵的增加意味着事物向着混乱无序的方向发展，而负熵的增加则意味着事物向着进化有序的方向前进。 自然界中正在进行的每一种事件，都意味着此事件所处的那部分世界的熵正在增加，一旦熵值达到最大，那就是死亡。 惟一的抗争办法，就是不断从环境中吸取负熵，以抵消熵增。   换句话说，在存活期限内，生命要想对抗熵增，让自己活得更加健康、更加有序、更加绚烂，就要不断斗争，不断发育和成长，从外界吸取负熵（干净的食物、能量、水和氧等），同时排出高熵物质（汗水、二氧化碳等）。 生命就是在熵增和熵减的斗争过程中得以延续的。 薛定谔指出：所谓新陈代谢，本质就是让自己摆脱存活期内所产生的熵。 07指导我们的生活 “生命以负熵为食”不只是讲出了吃喝拉撒这种人尽皆知的生存必需，而是从更广阔的世界观层面指引我们如何去高质量的活着。 人通过汲取水和食物来获得负熵，这是在生存层面抵抗熵增。 在发展层面，人更要不断汲取负熵，抵抗熵增。 比如，坚持健身。 不断通过运动耗散身体里的正熵，才能长久让自己保持低熵状态，身体细胞才能更加有秩序，从而保持健康延缓老化。 比如，拒绝沉迷游戏。 当你通过游戏带来的刺激感和成就感在虚拟世界里获得负熵的时候，现实世界中的熵值就会增加，眼睛会废，身体会累，生活会逐渐混乱。 比如，和家人朋友保持良好关系。 互相汲取情感负熵，抵抗心理上的熵增，维持良好的情绪状态。 比如，养成终身阅读的习惯。 不断从书本中获取知识和信息，获得更广阔的视野，从而让自身与外部世界形成一个更为开放的互通系统。 在遇到问题时，这些知识和信息是降低筛选、记忆、存储、甄别成本的有力武器。 实际上，知识和信息就是负熵。 08麦克斯韦妖的启示 知识和信息就是负熵，这一结论同样源自于热力学第二定律。克劳修斯说，热量不能从低温物体传向高温物体，而不产生其他影响。 但麦克斯韦在给朋友的信中设想了一个分子量级的精灵，这个精灵通过观察就能知晓所有分子的轨迹和运动速度，从而通过一个绝热小门就能控制分子的出入。 如图所示 左边是高温气体，右边是低温气体。 但高温气体中的分子也有运动较慢的，而运动慢的分子温度较低。同理，低温气体中的分子也有运动较快的，而运动快的分子温度较高。 这个小精灵能识别两边分子运动的速度，它只允许左边的高温分子通过小门进入右边，右边的高温分子进入左边。经过一段时间后，左边的温度变低，右边的温度就变高了。 假如这个思想实验成立，岂不就实现了热量从低温传向高温，从而不就推翻热力学第二定律了吗？ 其实不然。 因为这个思想实验忽略了一个重要因素，就是： 首先，小精灵在控制小门时是需要做功耗能的，那它就要从别处获得能量。 其次，小精灵要实现这种筛选控制，就必须先获得两边分子速率大小的信息，而无论它是用视觉接受光信息，还是用听觉接受声信息，都有不可逆过程出现。 由此，这个系统也就产生了“其他影响”，而这和热力学第二定律是一致的。 实际上，这个小精灵就是闻名世界的物理学“四大神兽”之一的“麦克斯韦妖”。 麦克斯韦妖在获得信息后，使快慢分子分开，系统变得更加有序，熵值减少。 因此，信息就是负熵，知识就是负熵。 信息和知识能使人的思想更加有序，生活更加高效，生命之熵更低，是让人远离混乱，抵抗熵增的有力武器。 09进化自己 宇宙天然而熵增，它普适万物，以天地为刍狗。 也许我们逃不出宇宙之熵所划定的宿命圈，但至少我们可以负熵为食，在有限的生命历程中与天斗，与人斗，与熵增斗。 具体怎么做呢？ 首先，建立完整而富有弹性的价值观和世界观。 就像麦克斯韦妖一样，我们每个人都有自己的一套应对纷扰世界的内在机制。 来自环境的一些信息，能使人大喜、大悲、大乐、大哀，从而会使生命体正常有序的功能分子遭到破坏，并导致健康、关系、家庭等结构的熵迅速增加。 显然，同一信息、同一事件对每个人的影响方式和程度是不同的，我们可以将其归因于每个人内在的“麦克斯韦妖”不同。 所以，完整而富有弹性的价值观能让我们拥有更强的适应能力和调节能力，这是与世界的熵增对抗的不二门法。 其次，保持开放，给自己的世界留一个缺口。 终其一生，我们都生活在以自我为中心同时向外扩展的一个小圈子内，这个圈子是我们的避风港和安全屋。 但生活在这里面的同时，也要给自己留一个通往外界的小缺口。这样才能在圈内熵值扩大时，“废能”向外耗散，同时可以汲取外界负熵。比如，出去旅行、结交新朋、探索不同领域等。 最后，进化大脑。世界以熵增为律，生命以负熵为食。 个人的生命活力和生活的质量成就，都受和熵增抗争的有效性影响。 纵然在整个宇宙中，我们微小如尘埃，但作为生命体，若能在数十载光阴中为自己和世界增添一份有序性，也就不枉这段奇妙的旅程。 宏观宇宙是朝着混乱行进的，但生命的进化史却是向着有序发展的。 生物要生存繁衍，就必须有更强的汲取负熵能力。 而信息社会最重要的则是智能化自己的大脑。 申农提出了“信息熵”的概念，信息或知识其实是一种能够清除不确定性的东西。 信息越充分，不确定性就越低，信息熵也就越低。 这对我们的启发就是，竭尽所能获取知识，智能化我们的大脑，努力降低生活中的信息熵。 总之，宇宙也许会归于寂灭，但人类的归宿却不只有死亡，还有生命历程中与熵增抗争的精彩永恒。