再谈“熵”与热力学定律 02
本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第2篇
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本来这篇计划讲蝴蝶效应的，但发现为时过早
【正文】
01
在物理学第二季讲相对论的时候，我们讨论过，爱因斯坦一直有一个最终未实现的愿望，那就是发现一个宇宙终极理论，来统一宏观和微观知识（也就是天体宇宙与量子力学）。
可惜，爱因斯坦还是太过自大，最后还是没有发现。有人说，也许他发现了，但是为了人类未来的安全，撕毁了自己的手稿...
不过好在，爱因斯坦曾经苦思冥想：现有的科学定律，哪一条是当之无愧的最高定律？他认为：一种理论前提越为简练，涉及的内容越为纷杂，适用的领域越为广泛，那这种理论就越伟大。就像毕达哥拉斯定律那样简单又充满智慧。
而当时经典热力学给他留下了极其深刻的印象。
因为他相信只有内容广泛而又普遍的热力学理论才能通过其基本概念的运用而永远站稳脚跟。通过热力学，哲学家们发现了时间之箭，也就是说时间像射出去的箭一样，是不可逆的。
大家可以思考一个这样的问题：
无论牛顿还是爱因斯坦的理论，都是时间对称的。在牛顿体系中，时间无始无终。时间可以无始无终，这与力学的基本定律不矛盾。
但是，在热力学出现之后，无始无终的时间就自相矛盾了。
热力学表明宇宙中未来和过去的不对称性，这就是人们熟知的时间之箭。
如果我们沿着时间的两个方向看，我们会发现其中一个方向在137亿年前，宇宙处于一个非常特别的状态。
这个时间的方向我们称之为“过去”（past），而另一个方向则称为“未来”（future）。
物理学家霍金在研究宇宙大爆炸产生的一刹那时刻的行为时，发现热力学和宇宙学箭头指向同一个方向，即无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的时间方向一致。霍金在他的《时间简史》一书中写道：“至少存在三个时间箭头将过去和将来区分开来。
它们是热力学箭头，这就是无序度增加的时间方向；
心理学箭头，即在这个时间方向上，我们能记住过去而不是将来；
还有宇宙学箭头，即宇宙膨胀而不是收缩的方向。
宇宙的无边界假设预言了定义得很好的热力学时间箭头，因为宇宙必须从光滑的有序的状态开始。
热力学的优越性在于，它建立了不依赖于系统结构细节的普遍定律。热力学与时间性质之间存在深刻的本质联系。
经典热力学有四个定律，第零定律、第一定律、第二定律和第三定律。
热力学第零定律是说如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。钟速同步的传递性，保证了时间可以定义。
热力学第一定律是能量守恒定律，人们认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。这是指时间的均匀性。
热力学第二定律表达了时间的流逝性，并且有不可逆的方向性。
热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零，或者绝对零度（T=0）永远不可达到，表达了时间无始无终的无限性。从统计力学的观点来看，第三定律是物质微观运动的量子力学本性的结果。
02
熵是这样一个量，它在有耗散的情况下不停地增长，当所有进一步做功的潜力都已耗尽，它就达到了极大值，也就是最大无序性。（这个解释很有含义，大家细细品味）
按照克劳修斯对热力学第二定律的说法，在可逆过程中熵的改变是零，而在不可逆的过程中，熵总是增加的。
克劳修斯在总结热力学第二定律时说：“世界的熵（即无效能量的总和或者无序性）总是趋向最大的量的。”
（熵在信息论中的公式）
熵是有真实意义的，它量度着无序。
在一个封闭的系统里，物质的熵最终将达到最大值。熵是无序的量度。如果熵是衡量不可知的，反过来，可知的就是负熵，负熵也是信息。
信息量所表示的是体系的有序度、组织结构程度、复杂性、特异性或进化发展程度。这是熵（无序度、不定度、混乱度）的矛盾对立面，是确定的、有序的、可知的，即负熵。
另一种是广义熵，它来自信息论和控制论，可应用于描述任何一种物质运动方式（包括生命现象）的混乱度或无序度。
它的矛盾对立面叫负熵或信息量，是组织结构复杂程度或有序度的表示。
（如图，杯中的水被倒出来的过程，是一个熵增加的过程，即从有序向最大无序性转化的过程，并且这个过程是不可逆的，泼出的水永远收不回来。）
1944年，著名的物理学家、量子力学的奠基人之一、诺贝尔物理学奖获得者薛定谔出版了《生命是什么？》一书，更加明确地论述了负熵的概念，并且把它应用到生物学问题中，提出了“生物赖负熵为生”（或译“生物以负熵为食”）的名言。
薛定谔说：“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵。负熵是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者更确切地说，新陈代谢中的本质的东西，就是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。”
用信息论的术语来表述热力学第二定律：如果不从外界得到新的信息，那么对信息所进行的操作和变换不可能使信息量增加，或者说，不确定度不可能减少。
热力学第二定律的信息论表述方式的含义更广，可应用于并非热力学过程的任何信息传递或变换过程，因此，可以称之为广义的热力学第二定律。
热力学第二定律对整个物理学来说是基本的定律，因而没有多少物理学家对其有效性提出怀疑。第二定律使世界带上了时间不对称性，使得过去和将来有了分别，违反热力学第二定律就等于将时间倒转。
我们对时间流逝有方向的感觉，一面固然被经典力学、相对论、量子力学搞乱，另一面却从热力学中得到支持。如果热力学第二定律成立，时间应该有一个开始。
大爆炸宇宙学告诉我们，时间有一个开始，我们的宇宙开始于137亿年前，在这以前，谈时间没有意义。在热力学第二定律里，熵度量一个系统可变的能力，它跟时间有密切关系。熵增大方向是时间流逝方向的指路标。
英国物理学家亚瑟·爱丁顿爵士直接说：“熵是时光之箭。”
总结：
热力学是一个值得仔细品味的概念，其所描述的宇宙世界是神秘而又惊奇的。
当然要真正理解热力学定律还真有点困难，不然早就出现在中学课本里了。
《生命是什么》这本书里说明白一个道理：生命的确减少了自己的熵，但是它这么做的时候一直在加剧增加周围环境的熵。
宇宙的首要目标是让混乱越多越好，希望能快速达到热寂。
宇宙的次要目标是在局部呈现一些秩序。正是这个目标，使得生命的出现成为可能。
这两个目标并不矛盾，局部的秩序只能进一步加剧整体的混乱。所以你甚至可以说，宇宙为了能更快地达到热寂，而“发明”了生命。
宇宙说：“我不喜欢复杂，一切从简、越快越好！”
好，今天就到这里~
Masir 2022/06/16
祝 愉快~
参考文献
《时空简史》
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