梦千寻原创 tony 私人物语
上过高中物理课的人大多都知道，教科书上关于热力学有三大定律。分别是“能量守恒定律”、“热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体”和“绝对零度不可达到”。而实际上，热力学有四大定律，高中课本忽略了第零定律“若两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态，此两个系统也必互相处于热平衡”，概括而言也叫“热平衡定律”。第零定律比起其他任何定律更为基本，但直到二十世纪三十年代前一直都未有察觉到有需要把这种现象以定律的形式表达。第零定律是由英国物理学家拉尔夫·福勒于1939年正式提出，比热力学第一定律和热力学第二定律晚了80余年，但是第零定律是后面几个定律的基础，所以叫做热力学第零定律。
热力学第一定律，也就是大名鼎鼎的“能量守恒定律”，几乎可以说是人尽皆知。就算不知道的人， 也能从其他方面领悟到它的博大精深。老话讲“鱼和熊掌不可兼得”就蕴含了能量守恒定律的奥义，而现代人常讲的“我全都要”显然违背了能量守恒定律，结果往往是“全都落空”。热力学第一定律的提出，给第一类永动机判了死刑。
热力学第二定律，最早可追溯至法国物理学家尼古拉·卡诺对于热机效率的研究，及其于1824年提出的卡诺定律（卡诺循环）。热力学第二定律有多种表述，其中最具代表性的是克劳修斯表述（1850年）和开尔文表述（1851年），这些表述都可被证明是等价的。定律的数学表述主要借助鲁道夫·克劳修斯所引入的熵的概念，具体表述为克劳修斯定理。克劳修斯的表述以热量传递不可逆为出发点：“不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响”。开尔文表述则以第二类永动机（热机转换效率100%）不可能实现这一规律作为出发点：“不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。” 1855年，克劳修斯提出了熵（entropy）的概念，1865年，他又为熵的概念提出了数学的版本。之后，热力学第二定律有了数学表述，也叫克劳修斯定理。
终于讲到本文的主题“熵”了。在热力学和化学中，熵表达的是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数，也就是当总体的熵增加，其做功能力也下降，熵的量度正是能量退化的指标。听起来很拗口是吧，熵亦被用于计算一个系统中的失序现象，也就是计算该系统混乱的程度，通俗点理解就是“系统越无序，越混乱，熵越大；越有序则熵越小”。克劳修斯认为“在孤立的系统内，分子的热运动总是会从原来集中、有序的排列状态逐渐趋向分散、混乱的无序状态，系统从有序向无序的自发过程中，熵总是增加”，这就是所谓的“熵增加理论”。
玻尔兹曼对熵做了微观（统计意义上的）解释，表述为系统的熵S与其微观状态数W存在函数关系S = k * ln(W)，其中k为玻尔兹曼常数，这就是玻尔兹曼关系。它给出了系统微观粒子的无序程度的度量，这对熵这一概念引入信息论、生态学、哲学等领域具有深远意义。
熵增加理论的提出，引发不少争论。其中最有名的有麦克斯韦妖、洛斯密特悖论、吉布斯悖论、庞加莱始态复现和热寂学说。
英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制，但他无法清晰说明这种机制，只好假定存在一种“妖”，被称为“麦克斯韦妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。简单点描述，一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的典型。1929年，匈牙利裔美国籍核物理学家利奥·西拉德指出如果麦克斯韦妖真正存在，那么它观察分子速度及获取信息的过程必然产生额外的能量消耗， 产生熵。
洛施密特悖论，又称可反演性悖论，指出如果对符合具有时间反演性的动力学规律的微观粒子进行反演，那么系统将产生熵减的结果，这是明显有悖于熵增加原理的。针对这一悖论，玻尔兹曼提出：熵增过程确实并非一个单调过程，但对于一个宏观系统，熵增出现要比熵减出现的概率要大得多；即使达到热平衡，熵也会围绕着其最大值出现一定的涨落，且幅度越大的涨落出现概率越小。现在已有的一些实验结果与玻尔兹曼的叙述基本相符。
玻尔兹曼关系给出了一个并不外延的熵的表示方法。这导致产生了一个明显有悖于热力学第二定律的结论，吉布斯悖论——其允许一个封闭系统的熵减少。在通常的解释中，都会引用量子力学中粒子的不可区分性去说明系统中粒子本身性质并不影响系统的熵来避免产生这一悖论。然而现在有越来越多论文采用如是观点：熵阐释的改变恰恰可以忽略由于分子本身排列方式改变所带来的影响。而现有的Sackur-Tetrode方程对于理想气体的熵的解释是外延的。
1896年，德国数学家恩斯特·策梅洛引用庞加莱始态复现定理“孤立的，有限的保守动力学系统的组态在足够长久时间后可回复到任意接近初始组态”，对热力学第二定律进行诘难，认为热力学与动力学不兼容，并似乎得到了普朗克以及庞加莱本人的支持。针对这一观点，玻尔兹曼引用涨落的概念调和热力学与动力学，认为复现是依靠涨落实现的。据玻尔兹曼估计，对一个拥有10的18次方个粒子的系统，复现时间几乎是10的10次方的18次方，而宇宙年龄约为10的18次方，因而可见，庞加莱始态复现定理对于一个宏观热力学系统是没有现实意义的。
按照热寂说，如果将热力学第一、第二定律运用于宇宙，这一典型的孤立系统，将得到这样的结论：1.宇宙能量守恒，2.宇宙的熵不会减少。那么将得到，宇宙的熵终将达到极大值，即宇宙将最终达到热平衡，称热寂。针对热寂说，十九世纪有两个较为有影响的驳斥，一个是由玻尔兹曼提出的“涨落说”（1872），另一个是恩格斯利用运动不灭在《自然辩证法》中进行的驳斥（1876）。现今对于宇宙的理解（1. 宇宙在膨胀；2. 宇宙，作为自引力系统，是具有负热容的不稳定系统）指出宇宙是不稳定的热力学系统，并不像静态宇宙模型所设想的那样具有平衡态，因而其熵亦无最大值，即热寂并不存在。
熵增加理论受到种种诘难，这些诘难又一一被推翻。所谓真理愈辩愈明，这个理论终于得到科学界的普遍（一致）认同，并被广泛延伸到各个领域。物理学巨匠阿尔伯特·爱因斯坦称其为“科学定律之最”，伊利亚·普利高津说“什么是熵？没有什么问题在科学史的进程中曾被更为频繁地讨论过”。虐猫狂人埃尔温·薛定谔在其著作《生命是什么》里提出负熵的概念，他认为“一个生命有机体是在不断地增加着熵，并趋于熵为极大值的状态，当熵为极大值状态时也就是死亡， 要摆脱死亡，唯一的办法就是引入负熵，负熵是系统有序度的程度，用负熵来抵消体内正在增加的熵，只有这样才能维持生命体自身存在的状态，以免发展到无序的死亡状态。” 1948年美国数学家、信息论的创始人克劳德·香农将熵的概念引入信息论。1974年英国理论物理学家史蒂芬·霍金给出了黑洞熵 的公式S=Akc^3/4hG。
熵在物理学领域中似乎暗示只朝向一个特定行进方向的量，有时被称为时间之箭。随着时间的推移，热力学第二定律：孤立系统的熵状态永远只会增加，不会减少。因此，从这个角度看，熵的测量被看作是一种时钟。讲了这么多，那么熵增加理论和实际生活有什么关联呢？
一、破坏总比建设来得容易，因为自然状态下熵增就是混乱增大的方向。
二、人和人之间的感情一旦破裂或不信任就很难修复，破镜难以重圆。
三、人不能两次踏入同一 条河流。
四、不存在完全相同的两片雪花。
五、这个世界不存在永动机。
六、钟摆运动看似不能区分现在和未来，但它最终会停下来。
七、行星周而复始的公转总有一天会消失。
人类社会从刀耕火种发展到如今的高科技高文明，朝着更高级更有序的方向发展，同时也不可避免受其副作用影响：对物质条件的过度依赖，对自然资源的无限掠夺，对生态环境的严重破坏。人类在依赖负熵生存的同时，也在给外界增加着熵。从宏观的角度来看，总体熵不可避免地在增加着。举个简单的例子：人打扫屋子，清理垃圾，屋子是干净了，但垃圾并没有消失，只是换了个地方。物质不灭，只是改变了原有形态。
刘慈欣在《三体III：死神永生》里谈到超级文明的歌者，他写道：宇宙的熵在升高，有序度在降低，像平衡鹏那无边无际的黑翅膀，向存在的一切压下来，压下来。可是低熵体不一样，低熵体的熵还在降低，有序度还在上升，像漆黑海面上升起的磷火，这就是意义，最高层的意义，比乐趣的意义层次要高。要维持这种意义，低熵体就必须存在和延续。
低熵体就是生命，生命是有序的系统。对于永远熵增的宇宙而言，生命就是逆天而行。生命需要吃喝拉撒，这是保持熵减的过程。不运动保养，身体会退化；不学习不思考不交流，大脑会萎缩。人必须竭尽全力，才能看起来秩序井然，毫不费力。而有些人已经超脱了个体的喜怒哀乐，追求更高层次的真理和秩序，所谓“为人类的解放事业而奋斗”，就像那“漆黑海面上升起的磷火”，照亮了人类文明前进的方向。
宇宙不停地熵增，人类亦不停求索。终将死寂的宇宙里，人类倔强而孤独，守护着文明的火焰，真是悲壮而伟大。
