第十四章 宇宙自杀之迷
从熵的角度出发,热力学第二定律可以被描述为不可逆热力过程中,熵的微增量总是大于零。x
那么……问题来了,熵到底是什么?
在统计学意义上,熵度量的是系统的无序度,也就是说,系统越杂乱无章,它的熵值越大。
简而言之,热量从热的地方,流到冷的地方,经过足够的时间,所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性,毫无神秘之处开水变凉,冰块融化。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。
但就是这么简单的定律,太让人讨厌,让人对世界充满了绝望。
科学家宁愿没有发现它,甚至有人因为它自杀。
就最广泛的意义而言,热力学第二定律认为,宇宙的“熵”与日俱增。
例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包,做面包的麦子,在生长的过程中需要吸收阳光的能量;
太阳为了这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。
总之,宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。
“在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统新的能量。”
但对宇宙来说,是不存在“外界”的。因此,宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,这个最终的结果,简称为“热寂”。
到那时,恒星熄灭,黑洞死亡,所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间,所有空间温度相同。
到了热寂时代,微小尺度的量子事件成为最终主导。
“热寂”,是人类对宇宙结局的一大猜想。
对于整个宇宙到达热寂,至少需要101000年,对于人类来说,这个结局还过于遥远。
所以,让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。
一间房子,如果无人打扫,随着时间的流逝,必然会沾满灰尘。这个时候,我们可以认为,房间的无序程度增加了,也就是代表整个房间的熵自发地增加。
如果有人进入房间打扫,房间变得干净,是不是房间的熵减小了呢?
是的,局部熵减小了,但是“人房间”的熵并没有减小。
人在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。由于能量转化过程会不可避免地产生不能做功的热能,所以这个增量,是大于“房间被打扫干净”带来的无序度减少的。
从总体来看,“人房间”系统的熵值还是增加了。
对于这个熵增结论,科学家们非常不满,这意味着世界的无序程度一直在增加,未来是不美好的。
为了找出一个更有力的反例,人们试图创造永动机或者其他的方式,来规避熵增。
1871年,英国物理学家麦克斯韦设想了这样一个实验有一个箱子被一块板一分为二,板上有一个活门,由一个从海加尔山抓来做苦力的小精灵把守。
小精灵能测量气体分子的速度,对于右边来的分子,如果速度快,他就打开门让其通过,速度慢就关上门不让通过。
对于左边来的分子,则速度慢的就让通过,速度快的就不让通过。
一段时间以后,箱子左边的分子速度就会很快,右边则会很慢。
这意味着箱子的无序度降低了,熵减少了。
机智的麦克斯韦还假定,活门既无质量也无摩擦,那么在这一过程中小精灵并没有做功,这不就违反了热力学第二定律吗?
直到60年后,这个问题才被圆满解决。
匈牙利物理学家西拉德提出,做功的是小精灵的“智能”。
他认为,获取信息的观测过程小精灵判断分子的速度快慢需要能量,必然会引起熵的增加,其数量不少于因分子变得有序而减少的熵。
这样,由箱子、分子和小精灵组成的整个系统,就仍然遵守热力学第二定律。
现在回头来看,获取信息需要额外做功是顺理成章的,然而在19世纪末,睿智如麦克斯韦也没有看出小精灵的“观测能力”,对箱子分子小妖系统的影响。
直到20世纪,物理学家们才意识到,“观察者”在量子力学中扮演的重要角色后,信息与物理的关系才被理解。
那么有人又会问了既然自然界的所有过程最终都趋于无序,那么为何会有生命这种高度有序的存在呢?
在这个哲学问题的思考上,薛定谔在上世纪四十年代写的《生命是什么》一书中提出,生命从环境中抽取“有序”来维持自身的“有序”。
吃喝是摄取“有序”的过程,食物的有序度经过消化被降低,最终以拉撒的方式将“无序”排放回环境。
另外,生物会通过散发热量,把生理过程中产生的剩余熵排放到环境中。温血动物较高的体温,有利于更高效地排除熵,因而能产生更强烈的生命过程
就总体而言,排放的熵要大于摄取的负熵,所以满足熵增原理。
在这个意义上,生命,尤其是智慧生命的出现,加快了能量的均布,大力促进了宇宙的无序化进程!
“我们猜测,宇宙嫌弃整个热寂的过程实在太慢,由此创造了生命,是不是如此呢?”
举个例子,燃烧煤、石油、天然气的行为,释放了原本储存在化石燃料内部的能量,使其以辐射、热传递等形式更快地分布到了环境中,而核能的利用,甚至使生命有能力释放原子内部的能量。
如果把熵增过程比喻为拆迁,那么,智慧生物就好比宇宙请来的城管。
等级越高的文明,越能够帮助宇宙回归热寂。
如此看来,宇宙的目的,像不像一场精心策划、情节波澜壮阔的自杀?
但是,宇宙为何要自杀?为何想要回归热寂?
为何熵会自发地增加,而不会自发减少?
为何要设定这样的规则?
很遗憾,这是一个宇宙级别的哲学问题,我们并不知道答案。
以上部分是热力学方面的熵增理论。
我们可以将“熵”这个概念推广到其他的方方面面,发现它无处不在。
譬如说一杯水,滴入一滴墨水后,因为分子间的热运动,它将会慢慢扩散,直到墨水均匀分布。墨水从有序变得无序,想要恢复原先的样子,变得极为困难。
这就是一个熵增的过程。
一堆沙子,花费大力气堆成圆锥,它会慢慢倒塌……这也是熵增的过程。
宇宙在腐朽,人类世界的万事万物也在腐朽。
生命,这种高度有序的存在,是一种低熵体。但生命体亦不是永恒的,单个生命也会生病、衰老。
一个人从诞生开始,熵就在不停地变化,直到死亡到来的那一刻,代表其个体的熵增加到最大值。
这种熵是可以模糊量化的,是具体的,我们可以用身体健康指标、寿命等进行简单地代替。
如果因为合理的生活方式,或者某些科技,相当于为生命体摄入了负熵流,其熵增将会变得更加缓慢,甚至减小也有可能。
但总体而言,衡量个体的熵,依旧是缓慢增大的过程,直至个体死亡。
明。
宇宙中没有什么是永恒的,我们假设,文明也有自己的熵值,但文明的熵更加抽象。
很难直观地计算,文明的熵究竟有多大。它时时刻刻不停地变化,只能根据一些表现来进行简单地估算。
在地球时代,王朝更换,政权变更,各种各样的理由有很多,但最终,否可以用熵来衡量其中的秩序程度?
影响文明熵的因素有很多,包括但不限于外界环境、科技、社会制度、人口数目、人口质量等等。
特别是科技因素,是相当显著的负熵流,只要科学能一直进步下去,文明就能很简单地保持强盛……
若文明熵增假设成立,我们就要小心了,因为熵总是会自发地增大,我们必须要想方设法,控制其熵增,无论是社会因素、还是科技因素。
否则,文明的寂灭将成为必然事件。
从这个角度讲,明天是不美好的……按照熵增理论,明天只会自然而然变差,而不会自然而然变好。
这也是宇宙哲学树上的一条假设。
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那么……问题来了,熵到底是什么?
在统计学意义上,熵度量的是系统的无序度,也就是说,系统越杂乱无章,它的熵值越大。
简而言之,热量从热的地方,流到冷的地方,经过足够的时间,所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性,毫无神秘之处开水变凉,冰块融化。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。
但就是这么简单的定律,太让人讨厌,让人对世界充满了绝望。
科学家宁愿没有发现它,甚至有人因为它自杀。
就最广泛的意义而言,热力学第二定律认为,宇宙的“熵”与日俱增。
例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包,做面包的麦子,在生长的过程中需要吸收阳光的能量;
太阳为了这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。
总之,宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。
“在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统新的能量。”
但对宇宙来说,是不存在“外界”的。因此,宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,这个最终的结果,简称为“热寂”。
到那时,恒星熄灭,黑洞死亡,所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间,所有空间温度相同。
到了热寂时代,微小尺度的量子事件成为最终主导。
“热寂”,是人类对宇宙结局的一大猜想。
对于整个宇宙到达热寂,至少需要101000年,对于人类来说,这个结局还过于遥远。
所以,让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。
一间房子,如果无人打扫,随着时间的流逝,必然会沾满灰尘。这个时候,我们可以认为,房间的无序程度增加了,也就是代表整个房间的熵自发地增加。
如果有人进入房间打扫,房间变得干净,是不是房间的熵减小了呢?
是的,局部熵减小了,但是“人房间”的熵并没有减小。
人在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。由于能量转化过程会不可避免地产生不能做功的热能,所以这个增量,是大于“房间被打扫干净”带来的无序度减少的。
从总体来看,“人房间”系统的熵值还是增加了。
对于这个熵增结论,科学家们非常不满,这意味着世界的无序程度一直在增加,未来是不美好的。
为了找出一个更有力的反例,人们试图创造永动机或者其他的方式,来规避熵增。
1871年,英国物理学家麦克斯韦设想了这样一个实验有一个箱子被一块板一分为二,板上有一个活门,由一个从海加尔山抓来做苦力的小精灵把守。
小精灵能测量气体分子的速度,对于右边来的分子,如果速度快,他就打开门让其通过,速度慢就关上门不让通过。
对于左边来的分子,则速度慢的就让通过,速度快的就不让通过。
一段时间以后,箱子左边的分子速度就会很快,右边则会很慢。
这意味着箱子的无序度降低了,熵减少了。
机智的麦克斯韦还假定,活门既无质量也无摩擦,那么在这一过程中小精灵并没有做功,这不就违反了热力学第二定律吗?
直到60年后,这个问题才被圆满解决。
匈牙利物理学家西拉德提出,做功的是小精灵的“智能”。
他认为,获取信息的观测过程小精灵判断分子的速度快慢需要能量,必然会引起熵的增加,其数量不少于因分子变得有序而减少的熵。
这样,由箱子、分子和小精灵组成的整个系统,就仍然遵守热力学第二定律。
现在回头来看,获取信息需要额外做功是顺理成章的,然而在19世纪末,睿智如麦克斯韦也没有看出小精灵的“观测能力”,对箱子分子小妖系统的影响。
直到20世纪,物理学家们才意识到,“观察者”在量子力学中扮演的重要角色后,信息与物理的关系才被理解。
那么有人又会问了既然自然界的所有过程最终都趋于无序,那么为何会有生命这种高度有序的存在呢?
在这个哲学问题的思考上,薛定谔在上世纪四十年代写的《生命是什么》一书中提出,生命从环境中抽取“有序”来维持自身的“有序”。
吃喝是摄取“有序”的过程,食物的有序度经过消化被降低,最终以拉撒的方式将“无序”排放回环境。
另外,生物会通过散发热量,把生理过程中产生的剩余熵排放到环境中。温血动物较高的体温,有利于更高效地排除熵,因而能产生更强烈的生命过程
就总体而言,排放的熵要大于摄取的负熵,所以满足熵增原理。
在这个意义上,生命,尤其是智慧生命的出现,加快了能量的均布,大力促进了宇宙的无序化进程!
“我们猜测,宇宙嫌弃整个热寂的过程实在太慢,由此创造了生命,是不是如此呢?”
举个例子,燃烧煤、石油、天然气的行为,释放了原本储存在化石燃料内部的能量,使其以辐射、热传递等形式更快地分布到了环境中,而核能的利用,甚至使生命有能力释放原子内部的能量。
如果把熵增过程比喻为拆迁,那么,智慧生物就好比宇宙请来的城管。
等级越高的文明,越能够帮助宇宙回归热寂。
如此看来,宇宙的目的,像不像一场精心策划、情节波澜壮阔的自杀?
但是,宇宙为何要自杀?为何想要回归热寂?
为何熵会自发地增加,而不会自发减少?
为何要设定这样的规则?
很遗憾,这是一个宇宙级别的哲学问题,我们并不知道答案。
以上部分是热力学方面的熵增理论。
我们可以将“熵”这个概念推广到其他的方方面面,发现它无处不在。
譬如说一杯水,滴入一滴墨水后,因为分子间的热运动,它将会慢慢扩散,直到墨水均匀分布。墨水从有序变得无序,想要恢复原先的样子,变得极为困难。
这就是一个熵增的过程。
一堆沙子,花费大力气堆成圆锥,它会慢慢倒塌……这也是熵增的过程。
宇宙在腐朽,人类世界的万事万物也在腐朽。
生命,这种高度有序的存在,是一种低熵体。但生命体亦不是永恒的,单个生命也会生病、衰老。
一个人从诞生开始,熵就在不停地变化,直到死亡到来的那一刻,代表其个体的熵增加到最大值。
这种熵是可以模糊量化的,是具体的,我们可以用身体健康指标、寿命等进行简单地代替。
如果因为合理的生活方式,或者某些科技,相当于为生命体摄入了负熵流,其熵增将会变得更加缓慢,甚至减小也有可能。
但总体而言,衡量个体的熵,依旧是缓慢增大的过程,直至个体死亡。
明。
宇宙中没有什么是永恒的,我们假设,文明也有自己的熵值,但文明的熵更加抽象。
很难直观地计算,文明的熵究竟有多大。它时时刻刻不停地变化,只能根据一些表现来进行简单地估算。
在地球时代,王朝更换,政权变更,各种各样的理由有很多,但最终,否可以用熵来衡量其中的秩序程度?
影响文明熵的因素有很多,包括但不限于外界环境、科技、社会制度、人口数目、人口质量等等。
特别是科技因素,是相当显著的负熵流,只要科学能一直进步下去,文明就能很简单地保持强盛……
若文明熵增假设成立,我们就要小心了,因为熵总是会自发地增大,我们必须要想方设法,控制其熵增,无论是社会因素、还是科技因素。
否则,文明的寂灭将成为必然事件。
从这个角度讲,明天是不美好的……按照熵增理论,明天只会自然而然变差,而不会自然而然变好。
这也是宇宙哲学树上的一条假设。
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