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从有序变混乱或者说从有某种特定结构变成无结构的均匀分布的混沌这种现

简介: 从有序变混乱或者说从有某种特定结构变成无结构的均匀分布的混沌这种现象可能自然界有很多,但是好像从无序变有序的例子应该也不少,你比如说我在家房间里均匀分布着各种灰尘,我把这个屋里打扫的干干净净这个肯定是从无序变有序吧,灰

相信很多朋友都看过《信条》了,是一部很烧脑的大片,需要看很多遍都不一定能看得懂,这其中特别值得一提的就是片中的穿越时空的手段,并不是我们熟悉的引用爱因斯坦的狭义相对论的概念,坐在时间机器上超越光速这么一飞,然后就嗖的回到过去了,《信条》中的时空穿越引用的是相对比较陌生的概念叫熵,今天我们就来简单科普一下这个熵到底是怎么一回事。

首先我们要知道物理学中有个热力学第一定律,就是能量守恒定律,大家上学的时候都学过这个就不赘述了,那么有第一就肯定有第二,这个热力学第二定律就是熵增定律,大概意思就是说一个孤立封闭的系统内部的熵总是会越来越大,而这个熵通俗点说就是系统内部的混乱程度,熵增大则混乱程度增大,熵减小则混乱程度减小,这里容易让人搞混的概念就是这个混乱程度,这里说的混乱有时候其实还真跟我们平时认为的混乱有点不同。

这个东西是怎么定义的,其实很简单,举个例子,一杯拿铁是咖啡加奶冲出来的,一般都会先冲一杯咖啡然后再加点奶,那如果我们把奶倒入冲好的咖啡中不搅拌,不对这杯咖啡加奶施加任何外力会发生什么?

你会观察到黑色的咖啡和白色的奶会在杯子这个封闭的系统内部慢慢的自行变为一杯棕色的拿铁,这个过程就是一个封闭系统内的熵增过程,在这个过程中我们拆分成三个阶段来观察一下,我们一般直觉会认为这个咖啡和奶分开的时候很显然是有序的,这个时候不混乱,这个时候的状态确实它的熵是小的,而当你把奶倒入咖啡中的时候会呈现出逐渐混合的情况,我们直觉上一般会认为这个是混乱状态,这个状态的熵要比上一个牛奶咖啡分开的状态熵大一点,但是最终均匀搅拌之后成为一杯拿铁,这个时候我们直觉就一般会觉得这个应该是很有序的,咖啡和牛奶均匀的分布在这个杯子里这个也不混乱,但事实上这个时候正是熵最大的状态,这个时候也是最混乱的状态。

其实所谓的混乱状态在物理学上指的就是各种物质均匀地混合在一起,已经失去了再发生其它变化的可能性,这个就是最混乱的状态,也是熵最大的状态,这个时候如果我们缩小到分子层面就会看到这杯拿铁里的每个牛奶分子和咖啡分子都均匀地穿插着分布在整个杯子的空间当中,这个时候再想把它们恢复成之前各自为政的时候已经基本不可能了,其实从微观层面上来说的话物质在封闭系统内越是均匀分散熵就越大,而从我们人类的尺度看的话生活当中其实有很多现象都是熵增现象,就好像牛奶和咖啡的混合,而在微观层面下图A中的粒子分布熵就是小的而图B中的那个熵就是大的。

再举个重口味的例子,比如说人吃东西的这个事情,你可能吃了很多东西蔬菜水果肉类等等,吃了很多东西最后经过你的消化和吸收后,然后拉出来的这坨复杂的混合体它的熵就比你吃的那些食物们要大,因为蔬菜有蔬菜的分子、水果有水果的分子、肉又有肉的分子结构各自为政,但是却在你的体内发生了一系列复杂的化学变化,当然有一部分被你吸收了成为了滋养你的营养物质,另一部分就是排出体外的这一坨说不清道不明地难以言表的各种复杂分子的混合体,所以它的熵更大。

那举了这么多例子大家应该对熵的大小多少有点概念了,也应该大概可以区分了,而热力学第二定律这个熵增的概念还有一个特别的地方,就是它是个单向时间轴的定律,任何物理定律都是可以正推反推都可以成立,只有熵增定律是个特例,它只能增不能减,这也就是它的特殊之处,所以说《信条》这部影片诺兰就开了个脑洞,这个熵能不能是可以逆的?

那么不就冲好的拿铁可以变回之前的一杯奶一杯黑咖啡,这个便便也可以变回新鲜的蔬菜水果了,那这个不就等于是时光倒流了嘛?

这个和穿越有点不太一样,过去说到的穿越一般都是点对点地直接过去,而这个逆熵你可以看到影片中的设定,如果要回到一周前那么就要在逆熵状态下呆一周,时光逆流就可以回去了。

从有序变混乱或者说从有某种特定结构变成无结构的均匀分布的混沌这种现象可能自然界有很多,但是好像从无序变有序的例子应该也不少,你比如说我在家房间里均匀分布着各种灰尘,我把这个屋里打扫的干干净净这个肯定是从无序变有序吧,灰尘都被我整理干净了,但是不好意思,封闭空间里的熵一定是增长,你的出现从房间灰尘的这个角度来说是属于从外部引进的变量,所以封闭房间内的熵比起在你的这个外力介入之前似乎是减了,但是如果把你这个变量重新纳入这个封闭系统中的话,那么总的熵就还是在增加,因为你打扫房间消耗掉的能量造成的总的熵增远比你打扫前的熵要大,打扫完房间你得喝水、休息、还要煮碗面压压惊吧,然后再上趟厕所,这一系列过程造成的熵增已经不言而喻,这个过程简单说就是一个外力的介入可以使得一个小范围的封闭系统熵减,但是这个局部的熵减却造成了更大尺度下的熵增,所以总体来说依然是熵增的。

你又说那地球上产生的生命这个就是自然形成的有序结构,而且通过一代代的繁衍这种有序结构居然可以奇迹般地延续下去,这个总是熵减吧,最起码实现了增减平衡吧?

这个说到点子上了那咱们就再简单聊聊生命,1943年薛定谔在都柏林的圣三一学院做了一系列演讲,其中就提出了生命科学史上最经典的一句话,道出了生命的本质就是“生命以负熵为生”没错,生命的出现是一种熵减,但是生命体为了维持自身的熵减却要更多的将周围环境的熵增加,最典型的生命的熵增活动就是吃喝拉撒,为了成就一个大活人那是要牺牲大自然里多少花花草草猪牛马羊,换句话说宇宙当中是允许局部地区出现自组织的熵减现象,然而实际上这种自组织的这个局部熵减现象是为了更快地更多地制造熵增,而地球上的万物也根本不是生活在一个封闭的系统内,地球上的所谓生态平衡这种所谓的自组织的熵减现象其实是建立在我们每个人都知道的太阳这个外力的呵护下才成立的,在太阳这个巨大的熵增现象之下,我们地球上那点熵减几乎可以忽略不计。

宇宙的终极目的就是为了让熵增达到最大,最终让整个宇宙达成热寂,热寂就是整个宇宙都变成那杯拿铁一样,什么恒星银河什么都没了,全部打成一锅粥变成均匀分布在整个宇宙的粒子,而且到处都是一样的均匀,不再有任何变化的可能,这个就是宇宙的终极目的,这么一听是不是很绝望?

但是我们暂时还不用担心,因为根据科学家的计算这个全宇宙的热寂估计怎么也要10∧1000年以后才能达成,所以我们担心热寂毁灭人类有点想多了,比起热寂科学家们还算出过再过一两百亿年后我们的宇宙可能会在暗能量的影响下发生大撕裂或者大反弹,再远点的威胁就是质子衰变,这个大概是在10∧23年之后发生,所以说担心热寂我们真的是想多了,就知道有这么回事就完了。

你可能又要说这热寂我先不管,我就不信这偌大的宇宙当中就没有用什么东西是熵减的,我咋就不信邪,这个太阳是再燃烧个100亿年也会寿终正寝,这个我们都知道那这个确实是熵增我承认,那么宇宙当中创造秩序结构的根源引力它总该是一种熵减现象吧?

我们都知道热力学第一定律就是能量守恒,这个力可没有消失,事实上它们是被转化成为热能,热能最后会散发到宇宙空间当中,其实这就是个恒星从诞生到消亡的过程,所以说引力的工作不是创造秩序,它是为了更快速地制造熵增,把散落的物质集中起来点燃。

说到这我突然有个想法,其实生命产生的条件是很苛刻的,我们都知道至今为止我们人类还没有发现地球外有任何生命存在的证据,虽然我们每个人都知道偌大的宇宙当中一定不可能只有我们地球有生命,最近金星上也发现了大量的磷化氢,也证明那里很可能有生命,首先声明咱们地球上的神棍们说的什么自己是生活在金星上高维空间的金星人什么的这种胡说八道的东西我是不信的,这种人肯定没有基本的科学素养,既不了解金星也不懂什么是高维度,只是把一些一知半解的科学词汇拿出来忽悠一些更没文化的老百姓罢了,金星上要不就是有其它我们不知道的产生磷化氢的机制,要不就是很可能存在某种极其原始的微生物可以适应金星上恶劣的气候,绝不可能存在任何高级生命的。

恰恰是像地球这种位置很好又不冷不热的地方熵增速度是很慢的,所以宇宙定律就只允许这种环境宜人熵增速度慢的地方产生生命这种自组织现象,其实生命的出现就是为了让这个地方的熵增加大,那么换个角度我们在宇宙中寻找熵增速度慢的地方那里就很可能会产生生命,当然这些只是个人想法没什么依据。

说回刚才的话题,一般的恒星被引力创造之后就会制造更大的熵增,因为把热量都释放出去了,那么黑洞是不是就比较特别?

但是我要说的是你要是再早个几十年说可能连物理学家呀都被难住了,但是霍金出现后这个事情就被解释清楚了,霍金于1975年提出了霍金辐射这么个理论模型,经过计算黑洞是会散发出一种叫做霍金辐射的粒子,经过漫长岁月总有一天黑洞也是会蒸发掉,这样就说明了黑洞不仅不是熵减,反而是最大效率的熵增现象,用最大的吸引力吸收一切物质,最终通过释放霍金辐射蒸发掉从而达到熵增?

其实是有的,那就是一个叫庞加莱回归的数学模型,顾名思义这个数学模型就是一个叫庞加莱的数学家发现的,早在19世纪末的时候他就发现了他经过一系列复杂的计算发现任何一个局限在有限范围内的系统给定任何一个状态只要经过足够长的时间它就一定会回归到足够接近初始状态的状态。

科学家们也算了,这就是个大概,实际情况可大可小难以计算的,但是无论误差多大这个数也是大到惊人的,大概是10的10∧1200次方年那么久,注意是10的10∧1200次方年而不是10∧1200年那么久,这个数有多大就不说了,为了把牛奶和咖啡从拿铁中重新分开要等那么久显然不划算,真那么想分开的话还是重新倒一杯去吧。

所以说熵增熵减也好,庞加莱回归也好,都是距离我们太遥远的概念,真正的宇宙知识是不考虑区区人类的大脑能不能接受的,了解一些真正的科学知识有助于防止我们被低级神棍们忽悠,有助于自己建立更宏大的世界观,虽然对于普通人来说没有现实用处,但是却可以让你的内心世界有更广阔的延伸,通过对熵这个概念的了解我们可以知道我们讨厌混乱,可是混乱是宇宙的首要目标,我们喜欢秩序,可秩序却只能进一步加剧混乱。


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