熵——宇宙的终极游戏规则

2023-05-01 来源:飞速影视
人类对于能量的追求几乎到了痴迷的程度,以至于连地表的模样都改变了。从太空看夜晚的地球,地表的大部分区域都被城市和道路的灯光点亮。就人类而言,我们的身体都需要能量,人类个体就是一台能量消耗机器,或者说其实所有的生命都是如此。

熵——宇宙的终极游戏规则


在人类追求的所有能量中,热能是最重要的能量,人类因此驱动了对热能的研究,诞生了热力 学 4个基本定律——第零~第三定律。第零定律给出了温度的概念,如果两个物体温度相同, 两 者之间就不会存在热量传递,它们处于热平衡状态。第一定律是说,能量(包括热量)是守 恒的,既不会凭空产生,也不会凭空消失。第三定律是说,不可能达到绝对零度。这里着重要说的是最著名的热力学第二定律,它大致的意思是说,宇宙(或其中的一部分)的秩序只会从有序状态趋向无序状态,秩序不会自发增长最多只能被维持,要将一部分状态恢复到有序状态,要以别处的混乱为代价。这里所说的“秩序”,其实就是物理学理论中的“熵”。

熵——宇宙的终极游戏规则


我们怎么去理解“熵”这个概念呢?简单地说,有序状态为“低熵态”,无序状态即为“高熵态”。比如说,一个完整的花瓶为低熵态,而打碎了的花瓶就是高熵态;干净整洁的厨房为低熵态,杯盘狼藉的厨房就是高熵态;山上的水是低熵态,流至山下的水就是高熵态。我们可以看出,在这三个例子中,从低熵态变为高熵态很容易,而要让这个过程逆向发生,也就是从高熵态变为低熵态,几乎不可能。
低熵态中的能量可以被获取,并可以被转化为另一种形式,而高熵态中的能量不能转移,因而也就无法利用。打个比方,山上的水具有有效能,即重力势能,它可以用来发电,此时水为低熵态。当水从山上流下来时,水的势能就会驱动涡轮发电机产生电能,而当水流至谷底后,成为高熵态,也无法再驱动涡轮发电机发电了。
一般情况下,流至谷底的水不可能在倒流回山上,除了你使用电力将水再次抽送至山上,让水恢复到低熵态,水再次具有势能。但是,你会发现这极不合算,水是用来发电的,为了让水能够发电,你又得从其他地方获取电能。最终清算时,你会发现为了恢复系统的低熵态,却是以别处的高熵态为代价的,而且在这个过程中,总熵还是增加了。

熵——宇宙的终极游戏规则


热力学第二定律表明,在任何情况下,要想获得能量就永远不会使总熵降低。即使在最理想的情况下,总熵顶多保持不变,但更多的时候熵会增加,当总熵增加得越来越高时,我们可以利用的能量就会越来越少,但人类生存需要有效能,生命的存在需要维持低熵系统。
在不断膨胀的宇宙中,熵不断在增加,可利用的能量不断减少。在遥远的未来,宇宙中的可用能量会逐步消耗殆尽,只留下一个平淡无奇、死气沉沉的世界。这就是宇宙的终极游戏规则,谁也无法改变。

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