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熵,用以衡量混乱程度的物理量,能够解答我们为何总感觉生活随着时间推进变得越来越复杂而非越变越简单的问题。

混乱的秩序

热力学第二定律告诉我们,随着时间的流逝,在任何孤立或封闭的系统中,所谓的熵(也就是混乱度)总是在增大,或者至少保持不变。

熵,这一衡量混乱度的标准,影响着我们生活中的方方面面。我们可以将其视为一种自然界所施加的「税收」。

随着时间的推移,熵总是在自然增长。问题遍地开花:房间杂乱无章,花园里杂草丛生,咖啡的热度消散……公司可能倒闭,犯罪和动荡可能发生,人际关系可能割席。长远来看,所有事物都在逐渐走向衰败,混乱度也在持续增加。

混乱并非异常,反倒是一种默认状态。而秩序,只能是人造的,且总是暂时的。

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熵的发现

鲁道夫·克劳修斯(1822-1888),这位德国的大数学家与物理学家,是首个识别「熵」这一概念的人。

克劳修斯进行了大量关于热量如何转换为实际功率的实验。他认识到,高温环境的热能会自然流向低温环境。这就解释了我们为何寻常生活中观察到的现象,比如,咖啡若久置不喝便会变凉 —— 咖啡的热量被周围环境吸收,进而降低了自身温度。这是个自然发生的过程。然而,倘若想要把冷水加热以冲泡咖啡,就必须实施一项功率操作,比如,利用电源为热水壶供电等。

基于以上理解,克劳修斯对热力学第二定律做出了表述:

热能不会从低温物质传递至高温物质,除非有其他因素发生改变。

此外,克劳修斯还发现了一个有趣的事实:只有一部分能量会真正转化为实际的功率,这就仿佛自然界在对我们进行某种「抽税」行为。

面对这种现象,科学家们疑惑不解,到底剩余的热量去了哪里?又为什么会那么消失呢?

克劳修斯解答了这个疑团,他观察了蒸汽机,并计算出能量如何扩散并离开系统。他在《热的机械理论》中阐述了自己的这一发现:

……当物体状态发生变化时,无论是向物体输入还是从物体中 提取热量,其热量值并非固定不变。当这种变化以不可逆方式发生时,其热量值会与同样变化以可逆方式发生时的热量值存在差异。另外,每一个非可逆的变化,都会伴随着一个未能得到补偿的转变存在……

……我提议用 S 这个标志来表示物体的「熵」……我故意把「熵」这个词设计得与「能量」尽可能相近……

我给出的第二个基本定理(也即热力学第二定律)表明,自然界中发生的所有转变都有可能朝着我所定义的一个确定的「正向」方向进行,这种变化是自发的,也就是说,并不需要通过补偿来实现……这就意味着,整个宇宙的状态也始终沿着这个主导方向在变化,由此,宇宙将不断接近一个极限状态。

……对于每一个物体,都有两个参数需要我们关注——一个是其热量的「转化值」(即输入能量被转化为「功率」的那部分),另一个是其「离散度」(即物体内部状态的离散或分解程度);这两个参数的和,即构成了物体的「熵」。

克劳修斯用简单的语言概括了「熵」的概念:宇宙的能量是恒定的。宇宙的熵趋于最大值。

无序或熵的增加是过去与未来的区别所在,为时间指明了方向。

熵与时间

熵是那些能为时间存在提供证据的少数概念之一。「时间之箭」描述了 一个时间的特性,即时间是不对称的,并且只朝着一个方向流动:前进。这是一种非可逆过程,其中熵在不断增加。

天文学家亚瑟·艾丁顿在 1927 年开创了「时间之箭」的概念,他在文章中这么写道:

我们可以随意设定一个方向。如果随着我们沿这个所设定的方向前进,世界的状态中的随机因素越来越多,那么这个方向就是指向未来;若随机因素在减少,那么这个方向就是指向过去。这就是物理学所能识别的唯一分界。

在 BBC Two 制作的系列纪录片《宇宙的奇迹》的一个片段中,物理学家布莱恩·考克斯深入解读了这样一个概念: