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综述

每当科学研究取得新的进展时,我们总是会因此感到欢欣鼓舞,不管是我们的探测器又去到了更遥远的时空,还是我们又发现了新的可以为人类生产所利用的技术,都让大家感到一种充满生命力的希望,觉得整个人类的前途光明无限。

但是在一些理论当中,我们又会得到相反的东西,比如所谓的增熵原理,按照它所阐释的定律,生命乃至整个宇宙,最终的命运都是走向消亡,那么熵到底是个什么东西呢?

最令人绝望物理定律“熵增原理”:生命以负熵为食,最终走向消亡

什么是熵

虽然是物理学当中非常有名的一个名词,但是熵其实并非一个实体性的物质,大部分情况下它都是一个概念性的量度,用来描述某种特定系统的状态,尤其是构成这个系统的物质的状态变化。

因为我们的社会也是一个人为建立起来的系统,所以一些研究也把熵的概念运用到社会学这样的学科当中,用来解释其运转。

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就熵这个概念本身来说,它所描述的东西跟能量的变化相关,更准确地说它就是用来衡量能量减退程度的一个参数,最早是由德国的一名物理学家提出的,从19世纪中期开始,熵开始被广泛用到各个领域当中,尤其是像热力学这样直接和能量相联系的学科。

不过和大多数物理量不太一样的是,比起应用来说,熵的本质阐释要晚的多。

所有人都在自如地使用着,但是你要问这到底说的是什么样的物质或者现象,却很少有清楚准确的定义,直到近代物理学取得发展之后,它的本质才慢慢得到廓清,用一句话来说明,熵描述的就是某个特定的系统内部到底有多混乱。

乍一听,似乎还是很混乱,怎么会有一个物理量是用来描述混乱程度的呢?

直观上,科学对某种现象进行描述的目的就要尽量将其精准化,要找到其中的规律、有序性,一切处在混乱中,无法计算和组织起来的现象都不再科学描述的范围内,而熵却打破了这个规定。让我们回到最初提出这个概念的科学家,也就是克劳修斯那里。

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这位物理学家在1850年发表了一篇著名的文章,标题是《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》,在这篇里程碑式的文章里,他提出了一个重要的洞察,当我们所处的环境中发生了一件做功的活动并且由此产生了热量时,一定也会有同样数量的热量在其它的物质变化中被消耗掉,反过来也一样。

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看起来,这个描述是将我们所处的这个系统看作是一个总热量不变的整体,一些活动看似生成了新的能量,实际上只是把能量从系统的某个地方挪过来了。

换句话说,能量不是孙悟空,能够从石头里蹦出来,我们要么从已有的物质当中获取,要么就是把现成的能量从一个地方搬到另一个地方,所谓的生产过程并没有太大的技术含量,也不是真正意义上的生产。

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增熵原理

当然,克劳修斯的论文当中还有第二个非常重要的论点,那就是要想让热能从温度较低的物体上去到温度较高的物体上,必须要通过特定的做功,通过消耗能量才能做到。

这也就是后来的热力学第二定律的雏形,直观上就是我们所说的,自然状态下,温度只能从高温传递到低温,而不能从低温传递到高温,如果要反着来,必须要人为地干预这个过程。

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但是这里又存在一个问题,那就是在力学当中,这样的能量运动原理上是可逆的,如何解释这二者之间存在的矛盾呢?

克劳修斯的做法是先将这种的现象独立出来进行定义,然后为它指定了新的物理量,在那篇经典的论文发表后的第十个年头,克劳修为这种现象创造了一个新的名字,也就是熵。

同时他将做功产生热量的过程称为正转变,而相反的热量变成功的过程称为负转变。

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前者可以在自然状态下发生,后者却需要借助一个正转变才能实现,也就是说,热量想要变为功的形式,需要另外再来一个做功活动,以这个活动产生的热量来推动上面的热量实现功的转变。

这就好比说,我们从坡上向下骑车的时候并不需要外力的帮助,但是从坡下向上走的时候,就要使劲了,要是力气不够还得再请一个人来帮忙,这个多出来的人所形成的额外消耗就是熵。

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在这个观察的基础上,克劳修斯重新对这个定律进行了描述,也就是在这种负转变活动当中,一定会产生熵,它的数值至少大于零才能让整个活动得以进行,这也就是所谓的增熵原理。

如果我们的整个系统当中都是遵循自然的正转变,那么熵的数值就是零,但是这里的自然说的不仅是和人类相对的自然,而是一切符合正转变的能量活动,即便在地球上人为因素为零的地方,熵的数值也不会为零。

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结语

我们所生活的这个世界,始终都存在负转变活动,不停地形成负熵,而人类的生产生活大大增加了其数量,这个过程不仅存在于宏观的系统里,也反映在我们每一个个体身上。

至少对于现代人来说,如果没有负熵,现有的社会是无法运行的,但是负熵所指向的一定是内耗,也就是整个系统的消亡。

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原文链接:https://www.toutiao.com/article/7084149873616142856

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