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我们常常感叹物理学家们的科学发现都很深奥,其实绝大多数科学发现和宇宙奥秘并没有隐藏得很深,甚至就在你我身边,但或许就是因为太常见了,太习以为常了,以至于我们对那些宇宙奥秘根本就不会在乎。

一个很明显的例子就是牛顿研究苹果落地的故事。牛顿在苹果树下被一个苹果砸中,他并没有因此而生气,而是思考“苹果为什么会落地,为什么不会朝天上飞?”

如果有人问你这样的问题,你肯定会认为这个人一定是疯了,竟然问这种无聊的问题。但事实证明,科学家们正是用这种“疯子”的精神才触摸到了科学真理。

当然,牛顿并不是被苹果砸中,然后想象出了万有引力定律,只是说苹果落地的现象给了他灵感,再加上他对前辈们发现的物理定律孜孜不倦的研究,最终才触发了万有引力的到来。

其实现实中有很多类似的现象,有很多我们认为理所当然的现象,其实都隐藏着深刻的宇宙奥秘,今天要讲述的就是生活中另一个常见的现象,大部分人也不会去问为什么。

这种现象就是,玻璃杯摔碎之后,并不能复原,更不会自发复原,为什么会这样?为什么不能复原?

大多数人的答复应该是这样的:都摔碎了怎么复原呢?你有多么无聊才能问出这样的问题?你是不是疯了?

其实这个问题并不是我问的,而是以物理学家们的名义来问的。伟大的物理学家们在几百年前确实问过类似的问题,然后就触摸到了一个深刻的宇宙至理。

他就是奥地利著名的物理学家,玻尔兹曼,提出了著名的概念“熵”,让我们了解到了可怕的熵增原理。

什么是“熵”?

熵,是衡量一个事物有序程度的物理量。熵越高,意味着越混乱,越低意味着越有序。而在一个封闭系统里,总是会自发地朝着熵增的方向演化,这就是著名的“熵增原理”。

说白了,在自然状态下,万物总是倾向于熵增,也就是朝着混乱的方向演化,绝不可能自发地朝着有序或者说熵减的方向演化。

举个简单的例子,有一个本书,你把这本书的每一页都撕下来,然后抛向空中,落地之后你会发现,书页会变得杂乱无章,而不会像原来一样有序地排列在一起。这是为什么呢?

原因很简单,就是刚才所讲的熵增,这本书总是倾向于朝着混乱的方向发展。通俗来讲也可以这么理解,让这本书非常按照页码数有序地落在地上,方式只有一种。但是让书页杂乱无章地落在地上,方式有很多种。因此,从概率上分析,书页最终以混乱的形式落在地上的概率是最高的,这也非常符合我们的日常生活经验。

理论上分析,从空中落下来的每一页,最终确实有可能按照页码数有序地排列在一起,但我们都知道这在现实中不可能发生,如果真的发生了,我们也不会认为自己运气好,而会思考会不会有什么作弊行为。

这就是熵增原理,宇宙万物总是会自发地朝着熵增,也就是混乱的方向发展。

实际上,熵增现象在我们日常生活中太常见了,除了题目中所讲的打碎的玻璃杯不能复原之外,还有很多。

比如说,融化的冰块失去了整齐的形状。用沙堆做成的城堡经过岁月洗礼,最终会成为混乱的沙子。汽油经过燃烧最终会变成各种废气,粉尘颗粒,水蒸气等混乱无序的物体,也就是高熵物体,而汽油是相对低熵的物体。

熵增原理,其实也可以解读为热力学第二定律,是最基本的科学定律,有多种表述方式,比如说上面所讲的,在孤立系统里,熵不会减少,只会增大或者保持不变。也就是说,孤立系统的熵不可能朝着低熵的状态发展,也就是不会变得更有序。还有一种表述方式,热量不会自发地从低温物体转移到高温物体。

其实熵增原理也暗示这时间箭头的方向,只有一个方向,那就是永远向前,意味着我们不可能回到过去,万物总是会被时间箭头“拉拽着”无情地奔向未来,一去不复返。

熵增原理看似无情,却是人类文明不断发展的根本所在,正是因为万物不断朝着熵增的方向发展,我们可以利用熵增的过程“汲取能量”,用物理学术语来讲就是“汲取负熵”,尽可能延缓或者减少人类文明朝着熵增演化的速度。

人类文明的发展其实就是不断创造出低熵的过程。虽然熵增原理是大自然的基本规律,人类也不能阻挡熵增的大趋势,但我们可以通过利用某些低熵物体,在某个局部某个时间段创造出低熵环境。

人类文明所创造出来的一切,其实都是高熵朝着低熵发展的直接体现,而人类能够利用最大的低熵物体就是太阳。太阳可以理解为“一个高度浓缩的低熵物体”,在不断走向高熵的过程中,创造出很多相对低熵的物体。

比如说煤石油天然气等物体,对于人类来讲都是低熵物体,人类在利用这些能源的时候,这些低熵物体会发光发热,然后转化为各种高熵物体,也就是混乱无序的物体,在这个过程中,人类可以利用那些光和热创造出各种低熵物体,比如说汽车,火箭,高楼,甚至我们人体本身,都是低熵的产物。

说白了,人类文明的发展过程,其实一直在对抗“熵增”,但无论如何我们都不能改变整个宇宙走向熵增的大趋势。在极其遥远的未来,宇宙会走向彻底的无序,熵达到最大,届时将再也没有任何低熵物体可以被利用,也宣告宇宙的死亡。

这就是可怕的熵增原理,也体现为无情的时间箭头一直向前。如果把时间倒流,我们会发现,整个宇宙的熵会不断减少,最终来到宇宙诞生的时刻,138亿年前的奇点,熵值达到最低。而大爆炸之后,宇宙开始变得越来越无序,熵不断升高。

最后一个终极问题,既然我们不能阻止熵增,是否意味着宇宙终将走向彻底的无序呢?

理论上我们可以做到让宇宙的熵降低,前提是宇宙并非一个封闭的系统。如果宇宙不是封闭的,理论上可以“汲取”外部世界或者说其他宇宙的低熵,来延缓甚至减少我们宇宙的熵,让我们的宇宙变得更加有序。

但对于我们人类来讲,那是一个极其遥远的梦想,我们只不过是汪洋大洋里不经意间溅起的一小朵浪花,浪花消失之后,一切都与人类无关了!

完!

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7325607086086636083

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