熵：宇宙的終極規則

做者： 阮一峯

日期： 2017年4月23日

 

一、

有人曾經問我："成年後，有沒有書籍改變過你的世界觀？"

我想了想，還真有這樣的書。那時，我已經工做好幾年了，偶然在圖書館翻到一本舊書《熵：一種新的世界觀》（上海譯文出版社，1987）。

那本書是科普著做，介紹物理學概念"熵"。中學畢業後，我再沒有碰過物理學，可是沒想到讀完之後，我看待世界的眼光都變了。

"熵"這個概念很是簡單，很容易理解，但又異常強大，能夠解釋不少事情。這篇文章，我就來談談，爲何你應該懂得熵是什麼，它可能也會改變你的世界觀。

二、

爲了理解熵，必須講一點物理學。

19世紀，物理學家開始認識到，世界的動力是能量，而且提出"能量守恆定律"，即能量的總和是不變的。可是，有一個現象讓他們很困惑。

（上圖中，單擺在兩側的最高點，勢能最大，動能爲零；在中間的低點，動能最大，勢能爲零，能量始終守恆。）

物理學家發現，能量沒法百分百地轉換。好比，蒸汽機使用的是熱能，將其轉換爲推進機器的機械能。這個過程當中，老是有一些熱能損耗掉，沒法徹底轉變爲機械能。

（上圖中，能量 E 的轉換，老是會致使能量損耗 ∆E。）

一開始，物理學家覺得是技術水平不高致使的，但後來發現，技術再進步，也沒法將能量損耗降到零。他們就將那些在能量轉換過程當中浪費掉的、沒法再利用的能量稱爲熵。

後來，這個概念被總結成了"熱力學第二定律"：能量轉換老是會產生熵，若是是封閉系統，全部能量最終都會變成熵。

三、

熵既然是能量，爲何沒法利用？它又是怎麼產生的？爲何全部能量最後都會變成熵？這些問題我想了好久。

物理學家有不少種解釋，有一種我以爲最容易懂：能量轉換的時候，大部分能量會轉換成預先設定的狀態，好比熱能變成機械能、電能變成光能。可是，就像細胞突變那樣，還有一部分能量會生成新的狀態。這部分能量就是熵，因爲狀態不一樣，因此很難利用，除非外部注入新的能量，專門處理熵。

（上圖，能量轉換過程當中，創造出許多新狀態。）

總之，能量轉換會創造出新的狀態，熵就是進入這些狀態的能量。

四、

如今請你們思考：狀態多意味着什麼？

狀態多，就是可能性多，表示比較混亂；狀態少，就是可能性少，相對來講就比較有秩序。所以，上面結論的另外一種表達是：能量轉換會讓系統的混亂度增長，熵就是系統的混亂度。

（上圖中，熵低則混亂度低，熵高則混亂度高。）

轉換的能量越大，創造出來的新狀態就會越多，所以高能量系統不如低能量系統穩定，由於前者的熵較大。並且，凡是運動的系統都會有能量轉換，熱力學第二定律就是在說，全部封閉系統最終都會趨向混亂度最大的狀態，除非外部注入能量。

（上圖中，冰塊是分子的有序排列，吸取能量後，變成液體水，分子排列變得無序。）

五、

熵讓我理解了一件事，若是不施加外力影響，事物永遠向着更混亂的狀態發展。好比，房間若是沒人打掃，只會愈來愈亂，不可能愈來愈乾淨。

（上圖中，若是不花費能量打掃，房間老是愈來愈亂。）

爲何"世間好物不堅牢，彩雲易散琉璃脆"？就是由於事物維持美好的狀態是須要能量的，若是沒有能量輸入，美好的狀態就會結束。

這就是我世界觀的變化。我今後認識到，人類社會並不是必定會變得更進步、更文明。相反地，人類如同宇宙的其餘事物同樣，常態和最終命運必定是變得更混亂和無序。過去五千年，人類文明的進步只是由於人類學會利用外部能量（牲畜、火種、水力等等）。愈來愈多的能量注入，使得人類社會向着文明有序的方向發展。

（上圖中，通過130多億年的膨脹，宇宙變得愈來愈無序了。）

六、

工業革命之後，人類社會的進步速度加快了，變得更加先進有序，消耗的能量也指數級地增加：水力不夠了用煤炭，煤炭不夠了用石油，石油不夠了用核能。

能量消耗越大，就會產生越多的熵。所以，人類社會始終處於一種矛盾狀態：整個社會變得更加有序和嚴密的同時，無序和混亂也在暗處不斷助長。

咱們只是依靠更大的能量輸入，在壓制熵的累積。不斷增長的熵，正在各類方面爆發出來：垃圾污染、地球變暖、土地沙化、PM2.五、物種滅絕......甚至心理疾病、孤獨感和疏離感的暴增，我認爲都是熵的增長對人類精神形成的結果。

咱們須要能量，讓世界變得有秩序，但這樣是有代價的。物理學告訴咱們，沒有辦法消除熵和混亂，咱們只是讓某些局部變得更有秩序，把混亂轉移到另外一些領域。

七、

人類社會正在加速發展。表面上，咱們正在經歷一個減熵過程，一切變得愈來愈有秩序，自動化帶來了便捷。可是，能量消耗也在同步放大，爲了解決愈來愈多的熵，咱們不得不尋找更多的能量，這又致使熵的進一步增長，從而陷入惡性循環。

迄今爲止，人類一直可以找到足夠的能量，解決熵帶來的混亂。可是，這種解決方式正變得捉襟見肘。若是咱們繼續像如今這樣加速發展，那麼終有一天會出現能量缺口，地球上的能量不足以解決熵，那時一切就會發生逆轉，彷彿細小的裂縫演變成巨大的雪崩，秩序開始崩塌，世界走向混亂。

（[說明] 本文出自我正在寫的新書《將來世界的倖存者》，點擊這裏免費閱讀全書。）

（完）