熵：宇宙的终极规则

做者： 阮一峰

日期： 2017年4月23日

 

一、

有人曾经问我："成年后，有没有书籍改变过你的世界观？"

我想了想，还真有这样的书。那时，我已经工做好几年了，偶然在图书馆翻到一本旧书《熵：一种新的世界观》（上海译文出版社，1987）。

那本书是科普著做，介绍物理学概念"熵"。中学毕业后，我再没有碰过物理学，可是没想到读完之后，我看待世界的眼光都变了。

"熵"这个概念很是简单，很容易理解，但又异常强大，能够解释不少事情。这篇文章，我就来谈谈，为何你应该懂得熵是什么，它可能也会改变你的世界观。

二、

为了理解熵，必须讲一点物理学。

19世纪，物理学家开始认识到，世界的动力是能量，而且提出"能量守恒定律"，即能量的总和是不变的。可是，有一个现象让他们很困惑。

（上图中，单摆在两侧的最高点，势能最大，动能为零；在中间的低点，动能最大，势能为零，能量始终守恒。）

物理学家发现，能量没法百分百地转换。好比，蒸汽机使用的是热能，将其转换为推进机器的机械能。这个过程当中，老是有一些热能损耗掉，没法彻底转变为机械能。

（上图中，能量 E 的转换，老是会致使能量损耗 ∆E。）

一开始，物理学家觉得是技术水平不高致使的，但后来发现，技术再进步，也没法将能量损耗降到零。他们就将那些在能量转换过程当中浪费掉的、没法再利用的能量称为熵。

后来，这个概念被总结成了"热力学第二定律"：能量转换老是会产生熵，若是是封闭系统，全部能量最终都会变成熵。

三、

熵既然是能量，为何没法利用？它又是怎么产生的？为何全部能量最后都会变成熵？这些问题我想了好久。

物理学家有不少种解释，有一种我以为最容易懂：能量转换的时候，大部分能量会转换成预先设定的状态，好比热能变成机械能、电能变成光能。可是，就像细胞突变那样，还有一部分能量会生成新的状态。这部分能量就是熵，因为状态不一样，因此很难利用，除非外部注入新的能量，专门处理熵。

（上图，能量转换过程当中，创造出许多新状态。）

总之，能量转换会创造出新的状态，熵就是进入这些状态的能量。

四、

如今请你们思考：状态多意味着什么？

状态多，就是可能性多，表示比较混乱；状态少，就是可能性少，相对来讲就比较有秩序。所以，上面结论的另外一种表达是：能量转换会让系统的混乱度增长，熵就是系统的混乱度。

（上图中，熵低则混乱度低，熵高则混乱度高。）

转换的能量越大，创造出来的新状态就会越多，所以高能量系统不如低能量系统稳定，由于前者的熵较大。并且，凡是运动的系统都会有能量转换，热力学第二定律就是在说，全部封闭系统最终都会趋向混乱度最大的状态，除非外部注入能量。

（上图中，冰块是分子的有序排列，吸取能量后，变成液体水，分子排列变得无序。）

五、

熵让我理解了一件事，若是不施加外力影响，事物永远向着更混乱的状态发展。好比，房间若是没人打扫，只会愈来愈乱，不可能愈来愈干净。

（上图中，若是不花费能量打扫，房间老是愈来愈乱。）

为何"世间好物不坚牢，彩云易散琉璃脆"？就是由于事物维持美好的状态是须要能量的，若是没有能量输入，美好的状态就会结束。

这就是我世界观的变化。我今后认识到，人类社会并不是必定会变得更进步、更文明。相反地，人类如同宇宙的其余事物同样，常态和最终命运必定是变得更混乱和无序。过去五千年，人类文明的进步只是由于人类学会利用外部能量（牲畜、火种、水力等等）。愈来愈多的能量注入，使得人类社会向着文明有序的方向发展。

（上图中，通过130多亿年的膨胀，宇宙变得愈来愈无序了。）

六、

工业革命之后，人类社会的进步速度加快了，变得更加先进有序，消耗的能量也指数级地增加：水力不够了用煤炭，煤炭不够了用石油，石油不够了用核能。

能量消耗越大，就会产生越多的熵。所以，人类社会始终处于一种矛盾状态：整个社会变得更加有序和严密的同时，无序和混乱也在暗处不断助长。

咱们只是依靠更大的能量输入，在压制熵的累积。不断增长的熵，正在各类方面爆发出来：垃圾污染、地球变暖、土地沙化、PM2.五、物种灭绝......甚至心理疾病、孤独感和疏离感的暴增，我认为都是熵的增长对人类精神形成的结果。

咱们须要能量，让世界变得有秩序，但这样是有代价的。物理学告诉咱们，没有办法消除熵和混乱，咱们只是让某些局部变得更有秩序，把混乱转移到另外一些领域。

七、

人类社会正在加速发展。表面上，咱们正在经历一个减熵过程，一切变得愈来愈有秩序，自动化带来了便捷。可是，能量消耗也在同步放大，为了解决愈来愈多的熵，咱们不得不寻找更多的能量，这又致使熵的进一步增长，从而陷入恶性循环。

迄今为止，人类一直可以找到足够的能量，解决熵带来的混乱。可是，这种解决方式正变得捉襟见肘。若是咱们继续像如今这样加速发展，那么终有一天会出现能量缺口，地球上的能量不足以解决熵，那时一切就会发生逆转，仿佛细小的裂缝演变成巨大的雪崩，秩序开始崩塌，世界走向混乱。

（[说明] 本文出自我正在写的新书《将来世界的幸存者》，点击这里免费阅读全书。）

（完）