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熵是定义“无序度”的一个量,一个系统越“无序”或者说越均匀,那么熵就越大。
热力学第二定律的其中一种表述是:在一个封闭系统中(注意这个条件),熵永远是增大的,这是个不可逆过程。
这就是说,在一个封闭系统中,能量都是从高的地方流向低的地方,热能都是从热的地方流向冷的地方。“水往低处流”就是一个例子,老子说的“天之道,损有余而补不足”其实也就是说自然界有趋向于均衡倾向,如果他再解释得详细些也许热力学第二定律的发明权就是他的了。
为了进一步说明这条定律,再举个例子:
将一块冰放到一杯开水中,姑且认为这是个封闭系统吧。起先,这个系统相对是有次序的:冰是冷的,开水是热的,冷热有序。可是,随着时间的推移,冰块必然会融化,而开水也会降温,最后一起变成一杯温水。现在,这个系统已经变得很“无序”了。这个过程便是熵增大的过程。
显然,这是一个不可逆的过程,很难想象一杯温水放着放着会自己变成一杯浮有冰块的开水吧。但是,用人为的方法却可以实现这一过程。将这杯温水拿去加热,同时用激光制冷的方法将其中一部分水结冰,这样就可以了。那么现在,这个杯子系统的熵不是减小了吗?但是请注意,这时的系统已经不再是封闭系统了,因为外界给它提供了能量。
而外界的能量消耗过程其实也是一种熵增大的过程。这个道理很简单,为了方便起见,姑且认为这些消耗的能量都是电能吧,反正不管是加热还是制冷都是可以用电来解决的。那么电能又是如何而来的呢?假设是水利发电的话,就有很多的水从高处落到了低处,这不就是熵增大的过程吗?如果计算一下就会发现,这里熵增大的量是要远远大于那个杯子中熵减少的量的。
每次我说到这里总是有人会说,水肯定也有往高处流的时候,否则地球形成那么多亿年地球上的水早就应该变成均匀分布了。是的,地球上的水系统可以一直这么循环,其中必然是有熵减小的过程的,但是请注意,地球也不是一个封闭系统,太阳给它提供了能量。
但是,太阳的能量也是会用尽的,事实上,50亿年后太阳就会变成红巨星,地球和其他的行星都会被吞没,然后这颗红巨星继续膨胀,直到把那层外壳气体抛掉,只留下内核,变成白矮星,最后变成黑矮星,而那层被抛去的外壳就扩散到了太空中。这很显然是个熵增大的过程。其他恒星的命运也是类似,那些大质量的恒星会以超新星爆发这样剧烈的方式抛去它们的外壳,而内核可能会形成中子星,或者就是黑洞,而黑洞最终也是要爆发的。这些都是熵增大的过程。
宇宙是个封闭系统,如果热力学第二定律总是正确的话,它的总熵一直都是在增大的,而这样下去的一个必然结果就是,所有的恒星的物质都被抛到太空中,不管是以扩散还是爆发的方式,而那些物质,气体或者尘埃,都将趋向于均匀分布,到最后宇宙变成处处均匀等温等密度的一片,这就是所谓的“热寂”保尔戴维斯宇宙的最后三分钟预测的宇宙结局中最悲观的一种。
不过,我刚才说到那前提是“热力学第二定律总是正确”可事实上它已经受到了挑战。而最大的挑战便是生命系统。从无机物变成有机物,形成这么复杂有序的dna,诞生第一个单细胞生物,然后又一级级进化,形成动物和植物,最后诞生人类,诞生人类文明。这很明显是个熵减小的过程。而且比那个温水变成开水加冰更让人惊讶得多。人类目前的技术都无法创作一个生命,牛胰岛素的合成已经算是了不起的突破了,所谓的克隆也不过是复制罢了。可是,大自然却做到了,而且还做的那么好。
我增说过,人类文明的进步,科技的发展都是“反自然”的过程,而这里的“自然”其实指的就是热力学第二定律。可是,从更广义的说,生命和文明也应该是属于自然的一部分。那么,生命的进化,文明的发展必然会伴随着其他地方大量的能量消耗,或者说熵大量的增加。可是这个“其他地方”究竟在哪里呢?
也许有人会说那是来自太阳的能量,确实,生命是离不开太阳的,可是假如地球上不曾有过生命,地球也一样沐浴那么多阳光啊,那生命那部分熵不是平白无故地减小了吗?
这个问题也许很难找到满意的答案。我的感觉是,热力学第二定律也许在这个地方已经不适用了,尽管它在大部分时候都是正确。事实上,在时间流向问题上,它与相对论和量子力学也是有矛盾的,也许以后我们会发现一条更加完美的理论,它包含热力学第二定律适用的部分和不适用的部分。在那条理论下,关于宇宙的结局,也许不会是让人那么悲观绝望的“热寂”了。
熵是定义“无序度”的一个量,一个系统越“无序”或者说越均匀,那么熵就越大。
热力学第二定律的其中一种表述是:在一个封闭系统中(注意这个条件),熵永远是增大的,这是个不可逆过程。
这就是说,在一个封闭系统中,能量都是从高的地方流向低的地方,热能都是从热的地方流向冷的地方。“水往低处流”就是一个例子,老子说的“天之道,损有余而补不足”其实也就是说自然界有趋向于均衡倾向,如果他再解释得详细些也许热力学第二定律的发明权就是他的了。
为了进一步说明这条定律,再举个例子:
将一块冰放到一杯开水中,姑且认为这是个封闭系统吧。起先,这个系统相对是有次序的:冰是冷的,开水是热的,冷热有序。可是,随着时间的推移,冰块必然会融化,而开水也会降温,最后一起变成一杯温水。现在,这个系统已经变得很“无序”了。这个过程便是熵增大的过程。
显然,这是一个不可逆的过程,很难想象一杯温水放着放着会自己变成一杯浮有冰块的开水吧。但是,用人为的方法却可以实现这一过程。将这杯温水拿去加热,同时用激光制冷的方法将其中一部分水结冰,这样就可以了。那么现在,这个杯子系统的熵不是减小了吗?但是请注意,这时的系统已经不再是封闭系统了,因为外界给它提供了能量。
而外界的能量消耗过程其实也是一种熵增大的过程。这个道理很简单,为了方便起见,姑且认为这些消耗的能量都是电能吧,反正不管是加热还是制冷都是可以用电来解决的。那么电能又是如何而来的呢?假设是水利发电的话,就有很多的水从高处落到了低处,这不就是熵增大的过程吗?如果计算一下就会发现,这里熵增大的量是要远远大于那个杯子中熵减少的量的。
每次我说到这里总是有人会说,水肯定也有往高处流的时候,否则地球形成那么多亿年地球上的水早就应该变成均匀分布了。是的,地球上的水系统可以一直这么循环,其中必然是有熵减小的过程的,但是请注意,地球也不是一个封闭系统,太阳给它提供了能量。
但是,太阳的能量也是会用尽的,事实上,50亿年后太阳就会变成红巨星,地球和其他的行星都会被吞没,然后这颗红巨星继续膨胀,直到把那层外壳气体抛掉,只留下内核,变成白矮星,最后变成黑矮星,而那层被抛去的外壳就扩散到了太空中。这很显然是个熵增大的过程。其他恒星的命运也是类似,那些大质量的恒星会以超新星爆发这样剧烈的方式抛去它们的外壳,而内核可能会形成中子星,或者就是黑洞,而黑洞最终也是要爆发的。这些都是熵增大的过程。
宇宙是个封闭系统,如果热力学第二定律总是正确的话,它的总熵一直都是在增大的,而这样下去的一个必然结果就是,所有的恒星的物质都被抛到太空中,不管是以扩散还是爆发的方式,而那些物质,气体或者尘埃,都将趋向于均匀分布,到最后宇宙变成处处均匀等温等密度的一片,这就是所谓的“热寂”保尔戴维斯宇宙的最后三分钟预测的宇宙结局中最悲观的一种。
不过,我刚才说到那前提是“热力学第二定律总是正确”可事实上它已经受到了挑战。而最大的挑战便是生命系统。从无机物变成有机物,形成这么复杂有序的dna,诞生第一个单细胞生物,然后又一级级进化,形成动物和植物,最后诞生人类,诞生人类文明。这很明显是个熵减小的过程。而且比那个温水变成开水加冰更让人惊讶得多。人类目前的技术都无法创作一个生命,牛胰岛素的合成已经算是了不起的突破了,所谓的克隆也不过是复制罢了。可是,大自然却做到了,而且还做的那么好。
我增说过,人类文明的进步,科技的发展都是“反自然”的过程,而这里的“自然”其实指的就是热力学第二定律。可是,从更广义的说,生命和文明也应该是属于自然的一部分。那么,生命的进化,文明的发展必然会伴随着其他地方大量的能量消耗,或者说熵大量的增加。可是这个“其他地方”究竟在哪里呢?
也许有人会说那是来自太阳的能量,确实,生命是离不开太阳的,可是假如地球上不曾有过生命,地球也一样沐浴那么多阳光啊,那生命那部分熵不是平白无故地减小了吗?
这个问题也许很难找到满意的答案。我的感觉是,热力学第二定律也许在这个地方已经不适用了,尽管它在大部分时候都是正确。事实上,在时间流向问题上,它与相对论和量子力学也是有矛盾的,也许以后我们会发现一条更加完美的理论,它包含热力学第二定律适用的部分和不适用的部分。在那条理论下,关于宇宙的结局,也许不会是让人那么悲观绝望的“热寂”了。