熵——奥妙无穷的概念，支配宇宙的万事万物

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。
我在学习物理（化学）时最喜欢的科目之一是熵的概念，以及它与几乎所有事物的关系，从冰块到整个宇宙。让我们从头开始。
熵是什么？
熵可以被认为是随机性的数量，或者等同于信息的缺失。物理上，熵是一个与“微观构型”的数量成正比的量，而“微观构型”与观察到的“宏观状态”是一致的。简单地说，这意味着熵度量了你可以重新排列一个“物体”的原子和分子的组合数。

沙堡是一个低熵系统。这是一个熵增加的过程。举个例子：假设一个冰块在一杯水中。冰块会融化，直到杯子里只剩下水。整个物理“系统”(由水和冰组成)的分子数量是一定的。有一定数量的分子组合对应于初始系统配置(水加冰)。然而，与最终的系统配置(所有的水)相对应的分子组合要多得多。这就相当于最终态的熵比初始态的熵大。
另一种考虑熵的方法是用可能性或概率来表示。考虑将一杯水和冰块放在一个房间里，然后在随机选择的时间(从现在到一年后)重新查看它。您会发现在随机时间没有融化的冰水的可能性非常小。这是考虑熵的一种方式：水加冰的状态是熵最低的状态，因为它在整个时间轴上是一个不太可能的构型。
物理学的一个基本观点是，事实上每一个物理系统都会发生冰块/水系统的变化——熵总是在增加。这就是热力学第二定律。
熵和时间
熵是如此重要的一个量，因为它定义了一个时间箭头。想象一下有两个视频，一个是冰块在一杯水中慢慢融化，另一个则是相反的过程。我们知道，因为我们生活在一个有热力学第二定律的宇宙中，只有第一段视频对应于真实世界。换句话说，熵给了我们一种区分过去和未来的方法。
将时间的这一特性与我们的三维空间进行比较：我们的三维空间没有一个箭头与之相关。你可以朝一个方向走，也可以往回走。另一方面，很难想象宇宙中的时间是双向的：过去与现在，生与死可以互换。在这样的宇宙中，我们无法区分向前和向后播放的融化冰块的视频，也就不会出现热力学第二定律。
熵与宇宙
这是关于宇宙历史的简短介绍。大爆炸发生后不久（大约140亿年前），宇宙处于一种在所有地方看起来几乎完全相同的结构，我们称之为同质结构。意味着物质的分布有微小的波动，最终导致物质聚集在一起(由于引力)，形成我们今天看到的结构，从行星到恒星和星系。我们称这个婴儿宇宙为原始宇宙。另一方面，当今的宇宙是高度不均匀的：与在太空中，在太阳表面或在黑洞附近相比，在地球表面上的体验有很大不同。

我们的银河系，从地球上看。幸运的是，我们离宇宙最大熵的状态还很远。有趣的是，原始宇宙是整体熵最低的宇宙的结构。这是为什么呢？再想想水/冰块的例子。如果你选择一个随机的时间来观察宇宙，它更有可能在一些随机形成的团块中找到它，而不是在一个所有东西都均匀分布的状态中。发现宇宙处于一种近乎完美的同质状态，就像发现一支笔尖完全平衡的铅笔。它是不稳定的。
那么在遥远的未来宇宙的熵呢？在一个比当前宇宙年龄长得多的时间尺度上，所有的恒星最终都会燃烧殆尽，所有的行星都会离开它们的轨道，被更大的天体吞噬，星系也将不复存在。在更长的时间尺度上，所有吸收了大部分物质的黑洞都会完全蒸发。在这之后，宇宙将达到所谓的热力学平衡，一个没有任何新恒星或行星形成的稳定的结构，这种结构也被称为宇宙热死。这是最大熵的状态，估计在至少一个10^100年后发生。
所以下次你喝冰水的时候想想这个：宇宙最可能的状态，在googols时间尺度上(10^100)，是最大熵的状态。我们，我们的星球，我们的太阳系，我们的银河系，只是宇宙从最小熵到最大熵路径上的一个异常。
结论：熵和生命

让我用熵和生命之间的一个类比来总结一下：在默认情况下，我们生活中的每件事都会变得一团糟，或者处于一种高熵的状态，除非我们把精力和注意力放在它上面。从某种意义上说，上面凌乱的桌子是热力学第二定律的结果。可以指出的是，那些赋予生命最大意义和目的的事物恰恰是那些局部减少熵的事物，因此它们与宇宙趋向无序的自然趋势相违背。