你是否曾為這樣的場面駐足？
無論是電影也好，魔術(shù)也罷，這些在現(xiàn)實(shí)生活中原本不可能出現(xiàn)的場景，總是能第一時(shí)間抓住我們的眼球。
所有的這些“不可能”概括起來說就是：違反了自然界普遍的基本定律。
電影中“奇異博士”不借助任何外力把大量能量匯聚到雙手的行為，在物理學(xué)的概括解釋就叫做——熵減。
「熵（shāng）」是一個(gè)抽象的通過運(yùn)算推導(dǎo)出來的量。其物理意義代表系統(tǒng)的無序程度。
比如：蠟燭燃燒、冰塊融化、酒精揮發(fā)、食物腐爛等都是熵增加的過程。而與之相反的過程是熵減。
「熵」的概念起源于物理學(xué)，在控制論、概率論、數(shù)論、天體物理、生命科學(xué)等方面也有應(yīng)用，對(duì)人類甚至宇宙存在的意義、最終的結(jié)局方面也有推論。
以下的文章會(huì)避開「統(tǒng)計(jì)力學(xué)」中那些晦澀的數(shù)字、公式，但在一定程度上還是比較燒腦。
如果看完還是感覺一頭霧水，那么首先是這篇文章的錯(cuò)，然后是「熵」的錯(cuò)，不要責(zé)怪自己。
畢竟，「熵」是個(gè)很難理解的概念，腦子里有「熵」這個(gè)概念并且能略微理解的人，已經(jīng)跑贏80%的人類了。
各位小伙伴扶穩(wěn)坐好，我們要發(fā)車嘍~
19世紀(jì)，科學(xué)家們通過熱力學(xué)的研究得出了「熱力學(xué)第一定律」即「能量守恒定律(energy conservation law)」指在一個(gè)封閉(孤立)系統(tǒng)的總能量保持不變。
能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，能量總是做不到100%的轉(zhuǎn)換，什么意思？
火力發(fā)電的過程是這樣的：
燃料化學(xué)能→ 蒸汽熱能→機(jī)械能→ 電能
簡單說就是通過燃料的燃燒產(chǎn)生熱能來加熱水，然后再由水蒸氣推動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。
在這個(gè)過程中，熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率只能達(dá)到39%左右。
覺得效率低？家用車消耗燃料向前行駛，這個(gè)過程的能量轉(zhuǎn)換效率不到30%（非發(fā)動(dòng)機(jī)效率）。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分的能量在轉(zhuǎn)換的過程中被耗散掉了（變成了震動(dòng)、噪音、熱輻射等等），這部分在轉(zhuǎn)換過程中耗散的、無法再利用的能量就是「熵」。
基于這個(gè)概念，科學(xué)家們又得出了「熱力學(xué)第二定律」：
① 熱總是從高溫物體傳到低溫物體。 在不做功的情況下，熱不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。
②任何熱機(jī)不可能將所接受的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Α＜匆磺信c熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程都是不可逆的。
「熱力學(xué)第二定律」可以說是熱力學(xué)中最具生機(jī)和活力的部分，它有很多表述方法，這是和其他物理定律不太相同的地方。
「熱力學(xué)第二定律」的內(nèi)涵非常豐富，每種表述都反映了它的一個(gè)側(cè)面，包括：克勞修斯表述、開爾文表述、普朗克表述、黑首保勞-肯南表述、卡拉西奧多里原理。
這些不同的側(cè)面是相互聯(lián)系的，由一個(gè)可以證明另一個(gè)，這里就不一一展開講了。
在這些表述之中，比較經(jīng)典就是克勞修斯表述——「熵增加原理」：
「熵增加原理」簡單點(diǎn)來說就是：孤立系統(tǒng)的熵值永遠(yuǎn)是增加的(更精確的說，是永不減少)。
我們來花些時(shí)間大概搞懂這句話：
1、孤立系統(tǒng)
在熱力學(xué)之中，與外界沒有物質(zhì)交換，但有能量交換的系統(tǒng)稱為「封閉系統(tǒng)」，比如：密封的不保溫的不銹鋼水杯。
在熱力學(xué)之中，與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)稱為「孤立系統(tǒng)」，比如：密封的絕對(duì)保溫的不銹鋼水杯（理論上存在）
看到這里，我想請(qǐng)你停下來，花一分鐘思考一下，整個(gè)「地球生態(tài)圈」是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」嗎？答案之后會(huì)揭曉。
2、「熵值」永遠(yuǎn)是增加的，永不減少
我們之前說過，在轉(zhuǎn)換過程中耗散的、無法再利用的能量就是「熵」，又根據(jù)「能量守恒定律」這些能量并沒有消失，只是由“可以利用的能量”變成了“無法利用能量”。
從“可以利用的能量”到“無法利用的能量”，其實(shí)就是能量的分布由“聚在一起”變成了“平均分布”。
只有“聚在一起”的能量才是能夠被利用的，而“平均分布”的能量則不能被利用，這是什么意思？
下圖是一張水壩的照片：
我們把水壩暫時(shí)看作一個(gè)「孤立系統(tǒng)」（外界的物質(zhì)與能量無法影響到它）。
這時(shí)水壩一側(cè)的水位比另一側(cè)要高，水的重力勢能“聚在一起”，當(dāng)我們打開水壩，水就會(huì)傾瀉而出，傾瀉而出的水可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
這時(shí)的能量轉(zhuǎn)換就是：（水）重力勢能→?機(jī)械能→ 電能。
那么如果說水壩兩側(cè)的水位是相等的話，水就“平均分布”了，不會(huì)流動(dòng)，我們也就無法利用水來發(fā)電。
例子中的“聚在一起”的能量，是一種「有序的能量」（熵值小），它會(huì)朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，是可以被利用的。
而“平均分布”的能量，是一種「無序的能量」（熵值大），它不會(huì)自發(fā)的運(yùn)動(dòng)，不可以被利用。
我們回到「熵增加原理」，「熵值」增加的意思就是——無法利用的能量會(huì)越來越多。
綜上所述，「熵增加原理」的意思是：在沒有外界影響的情況下（孤立系統(tǒng)）無法利用的能量會(huì)越來越多，而且這個(gè)過程無法自發(fā)逆轉(zhuǎn)。
霍金的解釋是「熵減」（逆轉(zhuǎn)）來自于系統(tǒng)外部，不可能來自內(nèi)部。所以整個(gè)孤立系統(tǒng)的能量會(huì)慢慢變成“你有我有全都有”的平衡狀態(tài)。
有些聰明的小伙伴會(huì)想到，如果我們將水壩中的水用水泵抽到一側(cè)，強(qiáng)行制造「有序的能量」加以利用不就可以了嗎？
沒錯(cuò)，這樣確實(shí)是制造了「有序的能量」，但我們在進(jìn)行“將水壩中的水用水泵抽到一側(cè)”這個(gè)過程中還是會(huì)消耗、耗散能量，這還是在制造「無序的能量」（熵增）。
所以，我們可以局部制造「有序的能量」（熵減），但只是將「無序的能量」（熵增）轉(zhuǎn)移到其他地方，整個(gè)系統(tǒng)的「熵值」還是在增加。
「熵增加原理」是一個(gè)令人絕望的規(guī)律，它預(yù)示著人類、地球乃至宇宙的最終命運(yùn)就是走向「熱寂」——一種完全無序的、沒有生命與意識(shí)存在的狀態(tài)，宇宙的死亡。
「熱寂說」是「熵增加原理」對(duì)宇宙最終結(jié)局的推論，這一推論是否正確，引起了科學(xué)界和哲學(xué)界一百多年持續(xù)不斷的爭論。
由于涉及到宇宙未來、人類命運(yùn)等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)界和哲學(xué)界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。
「熱寂說」將整個(gè)宇宙當(dāng)成一個(gè)孤立系統(tǒng)，認(rèn)為宇宙的熵會(huì)趨向極大，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即宇宙每個(gè)地方的溫度都相等。
哲學(xué)家伯特蘭·阿瑟·威廉·羅素(Bertrand Arthur William Russell)發(fā)出這樣悲觀的感嘆：
"一切時(shí)代的結(jié)晶，一切信仰，一切靈感，一切人類天才的光華，都注定要隨太陽系的崩潰而毀滅。
人類全部成就的神殿將不可避免地會(huì)被埋葬在崩潰宇宙的廢墟之中--所有這一切，幾乎如此之肯定，任何否定它們的哲學(xué)都毫無成功的希望。
唯有相信這些事實(shí)真相，唯有在絕望面前不屈不撓，才能夠安全地筑起靈魂的未來寄托"。
即使是像控制論之父維納(N.Wiener)這樣的科學(xué)巨匠，最終也"控制"不住自己沮喪的感情，幾乎是在絕望中悲嘆：
"我們遲早會(huì)死去，很有可能，當(dāng)世界走向統(tǒng)一的龐大的熱平衡狀態(tài)，那里不再發(fā)生任何真正新的東西時(shí)，我們周圍的宇宙將由于熱寂而死去，什么也沒有留下……"
但是，「熱寂說」存在著一個(gè)很大的疑問：
①、「熵增加原理」是基于有限空間得出的結(jié)論，這樣的結(jié)論是否適用于整個(gè)宇宙？
②、「熵增加原理」成立的先決條件是「孤立系統(tǒng)」，那么如何證明整個(gè)宇宙是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」？
我們回到前面文中留下的問題：整個(gè)「地球生態(tài)圈」是一個(gè)「孤立系統(tǒng)」嗎？
答案是否定的，「太陽」對(duì)「地球生態(tài)圈」的影響非常大，「太陽」一直都在向「地球」傳遞「低熵」能量（陽光）。
20世紀(jì)60年代，「大爆炸理論」越來越受到主流天體物理學(xué)的承認(rèn)，隨著陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)以及支持（哈勃紅移、氦元素豐度、3K微波背景輻射……），「熱寂說」?jié)u漸退出主流。
隨著「大爆炸理論」研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙很可能就這么一直膨脹下去，而且膨脹的速度越來越快。
這樣的結(jié)局其實(shí)和「熱寂說」很類似，科學(xué)家們稱之為「冷寂」，不管怎么樣，為300億年之后的事情擔(dān)心，現(xiàn)在還確實(shí)早了點(diǎn)。
我們再說回「熵」，「熵」的概念在其他領(lǐng)域的引申有：信息熵（香農(nóng)熵）、生物熵、熵病等等，這些概念這里就不展開說了，有興趣的小伙伴可以自己去了解。
最后，總結(jié)來說，「熵」在不同的領(lǐng)域會(huì)有不同的解釋，但其本質(zhì)都是一個(gè)系統(tǒng)“內(nèi)在的無序（混亂）程度”。
有興趣深入了解「熵」的小朋友，可以從「統(tǒng)計(jì)力學(xué)」、「信息論」方面入手，越深入了解就會(huì)越覺得“一切都是天注定”。
哎！我腦子里突然蹦出一句話：
“天之道損有余而補(bǔ)不足——《老子》”
既然前面都說到了「熱力學(xué)第一、第二定律」，咱們就來簡單說說永動(dòng)機(jī)吧（說機(jī)不說吧，文明你我他）。（熱力學(xué)還有第三定律，講的是「熵增」為零的狀態(tài)，這里就不討論了）
第一類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，卻可以源源不斷的產(chǎn)生能量，違反了「熱力學(xué)第一定律」（能量守恒定律）。
第二類永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量,吸收周圍的能量并輸出使用，違反了「熱力學(xué)第二定律」（熵增加原理），就像文章開頭的動(dòng)圖，“神奇博士”徒手將能量聚集在雙手上并輸出。
本著飛黃騰達(dá)、揚(yáng)名立萬的美好愿望，永動(dòng)機(jī)的發(fā)明者前赴后繼，但都一一失敗。
達(dá)·芬奇早在15世紀(jì)就提出過永動(dòng)機(jī)不可能的思想。
1617 年到1903 年之間，英國專利局就收到約600 項(xiàng)永動(dòng)機(jī)的專利申請(qǐng)
1775年，法國科學(xué)院決定不再刊載有關(guān)永動(dòng)機(jī)的通訊，并宣布"本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)"。
1917 年美國專利局決定不再受理永動(dòng)機(jī)專利的申請(qǐng)。
這倒不是說政府故意打壓“永動(dòng)機(jī)”的民間研究，因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)械是否能“永動(dòng)”問題的關(guān)鍵，根本不在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，而是在物理定律。
END
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