熵:给宇宙带来无序的无形力量

熵:给宇宙带来无序的无形力量

你不能轻易地把牙膏放回管子里。你不能指望蒸汽分子自发地迁移到一起,形成一个水球。如果你把一群柯基犬放到一块地里,你不太可能不做大量的工作就把它们全部放回板条箱里。这些问题都与热力学第二定律有关,也被称为熵定律。

热力学第二定律

热力学对各种科学学科都很重要,从工程到自然科学,再到化学、物理甚至经济学。热力学系统是一个封闭的空间,不能让能量进出。

热力学第一定律与能量守恒有关——你可能还记得以前听说过,封闭系统中的能量是恒定的,除非它被外界篡改。然而,能量不断地改变形式,如火可以把植物的化学能转变成热能和电磁能。电池把化学能转变成电能。世界变了,能源变得不那么有组织性了。

“热力学第二定律被称为熵定律,”慕尼黑工业大学博士后研究员马尔科·波波维奇(Marko Popovic)告诉我们,“这是自然界最重要的规律之一。”

熵是封闭系统中无序度的量度。根据第二定律,系统中的熵几乎总是随着时间而增加,你可以做功来创造系统的秩序,但即使是重新排序所做的功也会作为副产品增加无序,通常以热的形式存在。因为熵的测量是基于概率的,当然,系统中的熵偶尔会减少是有可能的,但从统计学上来说,这是不太可能的。

无序的定义

要找到一个既不释放能量也不吸收能量的系统比你想象的要困难,我们的宇宙就是一个很好的例子,但是熵描述了在一个像宇宙那么大,又像一个装满咖啡的热水瓶那么小的系统中,无序是如何发生的。

当你把一群黑猩猩锁在厨房里时,熵更多的是与厨房里有多少可能的混乱排列有关,而不是可能有多大的混乱。熵取决于很多因素:有多少黑猩猩,厨房里有多少东西,厨房有多大。比如你看到两个厨房:一个非常大而且比较干净,另一个比较小但是被黑猩猩搞得乱七八糟,并不是说比较小的厨房有更多的熵。熵更相关的是可能有多少不同的状态,而不是它目前的无序程度。

熵是令人困惑的

熵可能是最真实的科学概念,但真正理解它的人却最少。熵的概念可能会让人非常困惑——部分原因是实际上有不同的类型。匈牙利数学家约翰•冯•诺伊曼(John von Neumann)对这种情况表示遗憾:“在讨论中使用‘熵’这个词的人总是赢家,因为没人知道熵到底是什么,所以在辩论中,一方总是有优势。”

波波维奇说:“要定义熵有点困难。也许最好把它定义为一种非负的热力学性质,它代表了不能转化为有用功的系统能量的一部分。”因此,任何向系统添加的能量都意味着一部分能量将转化为熵,增加系统的无序性。因此,熵是一个系统无序程度的量度。

19世纪中期,一位名叫鲁道夫·克劳修斯(Rudolph Clausius)的德国物理学家,热力学概念的创始人之一,正在研究有关蒸汽机效率的问题,并发明了熵的概念,以帮助测量不能转化为有用功的无用能量。几十年后,路德维希·玻尔兹曼(熵的另一位“创始人”)用这个概念来解释大量原子的行为:尽管不可能描述一杯水中每个粒子的行为,但仍然可以用熵的公式来预测它们受热时的集体行为。

“20世纪60年代,美国物理学家E.T.杰恩斯(E.T. Jaynes)将熵解释为我们忽略的信息,用以确定系统中所有粒子的运动,”波波维奇说,“例如,一摩尔气体由6×1023个粒子组成。因此,对我们来说,描述每个粒子的运动是不可能的,所以我们做下一个最好的事情,不是通过每个粒子的运动,而是通过所有粒子的综合特性来定义气体:温度,压力,总能量。当我们这样做的时候,我们丢失的信息被称为熵。”

可怕的宇宙“热寂”的概念不可能没有熵。因为我们的宇宙最可能开始是由一个奇点——一个无限小的、有序的能量点膨胀出来,并且一直在膨胀,熵在我们的宇宙中不断增长,因为有更多的空间,因此这里的原子有更多的无序状态。科学家们假设,在你和我离开很久之后,宇宙最终将达到最大无序状态,那时一切都将是相同的温度,没有任何有序的区域被发现。