十大恐怖物理学定律

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

如果要让你选择一条最喜欢的物理学定律，你会想到什么？是相对论的质能方程，还是量子力学的不确定性原理，或者说牛顿运动定律？

在影响世界最为深刻的物理定律中，有一条让人印象深刻，甚至让人感到绝望，这就是“熵增定律”，或称热力学第二定律。这个定律几乎决定了宇宙的最终归宿，导致一些科学家悲观地表示，宁愿没有发现这条定律。

那么，“熵”是什么意思？为什么熵会一直增加？

关于熵的概念，可以从两个方面来理解。

其一，孤立系统的有序度或者混乱度可以用“熵”来表征。系统越有序，无序度越低，则熵越小，反之亦然。

举个例子，假设一个容器的中间有个隔板，左侧装着水，右侧装着无水乙醇，此时系统的熵较小。如果拿掉中间的隔板，水和无水乙醇就会自发地混合在一起，系统的有序度下降，熵就会增加。这个过程是不可逆的，水和乙醇混合之后不能自发地分离开来，所以熵只会自发地变大。

其二，孤立系统中能被用于做功的能量（有效能）多少也可以用“熵”来表征。系统的有效能越多，则熵越小，反之亦然。

举个例子，汽油燃烧之后可以推动活塞做功，从而驱动汽车前进。汽油燃烧后，还会产生一些废热，这些热量无法被收集过来用于做功，所以有效能变少了，熵随之增加。

物理学家克劳修斯基于上述事实，最早提出了熵的概念，并对熵增定律进行了系统阐述，归纳出了热力学第二定律。正是由于熵增原理的存在，禁止了那些试图从大气或者海洋中提取热能来制造永动机的黄粱美梦。

那么，自然界中是否有“熵减”的现象呢？

著名量子物理学家薛定谔指出，包括你我在内的任何生命都是“负熵体”，我们都在进行逆熵的过程。为了维持生命的运行，我们要不断消耗能量，与熵增原理作对抗。

然而，熵增原理不会被打破，生命必然会有走到尽头的那一天。作为负熵体，生命会消耗宇宙中的有用能，从而让整个宇宙的熵变得越来越大。

就目前所知，宇宙包含了一切，所以宇宙是一个孤立的系统。既然如此，熵增定律作用于整个宇宙，就会导致宇宙不可避免地走向衰亡，我们没有办法逆转这个令人绝望的过程。

当宇宙耗尽全部的有效能，再也没有能量可以被用于做功，生命的存在无法维持，整个宇宙的有序度降到最低，熵增加到最大，宇宙将会迎来“热寂”的结局，这个时间估计是在10^1000年之后。

宇宙终结于热寂似乎是不可避免的，除非“麦克斯韦妖”真的存在。著名物理学家麦克斯韦认为，宇宙中也许有一种特殊的机制可以对抗熵增，它可以追踪宇宙中每个粒子的运动，能够让混合之后的不同粒子分开，从而出现熵减，这种特殊的存在被称为“麦克斯韦妖”。

当然，麦克斯韦妖只是一种设想，其存在并没有得到证实。那么，你是否认可麦克斯韦妖的存在呢？