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第十四章 宇宙自杀之迷(1 / 2)

从熵的角度出发,热力学第二定律可以被描述为:不可逆热力过程中,熵的微增量总是大于零。


那么……问题来了,【熵】到底是什么?


在统计学意义上,熵度量的是系统的无序度,也就是说,系统越杂乱无章,它的熵值越大。


简而言之,热量从热的地方,流到冷的地方,经过足够的时间,所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰块融化。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。


但就是这么简单的定律,太让人讨厌,让人对世界充满了绝望。


科学家宁愿没有发现它,甚至有人因为它自杀。


就最广泛的意义而言,热力学第二定律认为,宇宙的“熵”与日俱增。


例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包,做面包的麦子,在生长的过程中需要吸收阳光的能量;


太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。


总之,宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。


“在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。”


但对宇宙来说,是不存在“外界”的。因此,宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,这个最终的结果,简称为“热寂”。


到那时,恒星熄灭,黑洞死亡,所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间,所有空间温度相同。


到了热寂时代,微小尺度的量子事件成为最终主导。


“热寂”,是人类对宇宙结局的一大猜想。


对于整个宇宙到达热寂,至少需要10^1000年,对于人类来说,这个结局还过于遥远。


所以,让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。


一间房子,如果无人打扫,随着时间的流逝,必然会沾满灰尘。这个时候,我们可以认为,房间的无序程度增加了,也就是代表整个房间的熵自发地增加。


如果有人进入房间打扫,房间变得干净,是不是房间的熵减小了呢?


是的,局部熵减小了,但是“人+房间”的熵并没有减小。


人在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。由于能量转化过程会不可避免地产生不能做功的热能,所以这个增量,是大于“房间被打扫干净”带来的无序度减少的。


从总体来看,“人+房间”系统的熵值还是增加了。


对于这个熵增结论,科学家们非常不满,这意味着世界的无序程度一直在增加,未来是不美好的。


为了找出一个更有力的反例,人们试图创造永动机或者其他的方式,来规避熵增。


1871年,英国物理学家麦克斯韦设想了这样一个实验:有一个箱子被一块板一分为二,板上有一个活门,由一个从海加尔山抓来做苦力的小jīng灵把守。


小jīng灵能测量气体分子的速度,对于右边来的分子,如果速度快,他就打开门让其通过,速度慢就关上门不让通过。


对于左边来的分子,则速度慢的就让通过,速度快的就不让通过。


一段时间以后,箱子左边的分子速度就会很快,右边则会很慢。


这意味着箱子的无序度降低了,熵减少了。


机智的麦克斯韦还假定,活门既无质量也无摩擦,那么在这一过程中小jīng灵并没有做功,这不就违反了热力学第二定律吗?


直到60年后,这个问题才被圆满解决。


匈牙利物理学家西拉德提出,做功的是小jīng灵的“智能”。


他认为,获取信息的观测过程(小jīng灵判断分子的速度快慢)需要能量,必然会引起熵的增加,其数量不少于因分子变得有序而减少的熵。


这样,由箱子、分子和小jīng灵组成的整个系统,就仍然遵守热力学第二定律。


现在回头来看,获取信息需要额外做功是顺理成章的,然而在19世纪末,睿智如麦克斯韦也没有看出小jīng灵的“观测能力”,对箱子--分子--小妖系统的影响。


直到20世纪,物理学家们才意识到,“观察者”在量子力学中扮演的重要角sè后,信息与物理的关系才被理解。


那么有人又会问了:既然自然界的所有过程最终都趋于无序,那么为何会有生命这种高度有序的存在呢?


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