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熵是什么? 怎样以简单易懂的方式向其他人解释?

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作者:晓太阳
原标题:你敢来试试吗?这是触及人类理解极限的概念之一【熵】
发布日期:2018年8月19日
来自:死磕冷知识
微信号:xiaotaiyang900322


你是否曾为这样的场面驻足?

无论是电影也好,魔术也罢,这些在现实生活中原本不可能出现的场景,总是能第一时间抓住我们的眼球。

所有的这些“不可能”概括起来说就是:违反了自然界普遍的基本定律

电影中“奇异博士”不借助任何外力把大量能量汇聚到双手的行为,在物理学的概括解释就叫做——熵减

「熵(shāng)」是一个抽象的通过运算推导出来的量。其物理意义代表系统的无序程度

比如:蜡烛燃烧、冰块融化、酒精挥发、食物腐烂等都是熵增加的过程。而与之相反的过程是熵减。

「熵」的概念起源于物理学,在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等方面也有应用,对人类甚至宇宙存在的意义、最终的结局方面也有推论。

以下的文章会避开「统计力学」中那些晦涩的数字、公式,但在一定程度上还是比较烧脑。

如果看完还是感觉一头雾水,那么首先是这篇文章的错,然后是「熵」的错,不要责怪自己。

毕竟,「熵」是个很难理解的概念,脑子里有「熵」这个概念并且能略微理解的人,已经跑赢80%的人类了。

各位小伙伴扶稳坐好,我们要发车喽~

19世纪,科学家们通过热力学的研究得出了「热力学第一定律」「能量守恒定律(energy conservation law)」指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变。

能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其它物体,而能量的总量保持不变。

能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一,但是科学家们发现,能量总是做不到100%的转换,什么意思?

火力发电的过程是这样的:

燃料化学能→ 蒸汽热能→机械能→ 电能

简单说就是通过燃料的燃烧产生热能来加热水,然后再由水蒸气推动发电机来发电。

在这个过程中,热能转换成电能的效率只能达到39%左右

觉得效率低?家用车消耗燃料向前行驶,这个过程的能量转换效率不到30%(非发动机效率)。

科学家们发现,有相当一部分的能量在转换的过程中被耗散掉了(变成了震动、噪音、热辐射等等),这部分在转换过程中耗散的、无法再利用的能量就是「熵」。

基于这个概念,科学家们又得出了「热力学第二定律」:

① 热总是从高温物体传到低温物体。 在不做功的情况下,热不可能自发地从低温物体传到高温物体。

②任何热机不可能将所接受的热量全部转变为功。即一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

「热力学第二定律」可以说是热力学中最具生机和活力的部分,它有很多表述方法,这是和其他物理定律不太相同的地方。

「热力学第二定律」的内涵非常丰富,每种表述都反映了它的一个侧面,包括:克劳修斯表述、开尔文表述、普朗克表述、黑首保劳-肯南表述、卡拉西奥多里原理。

这些不同的侧面是相互联系的,由一个可以证明另一个,这里就不一一展开讲了。

在这些表述之中,比较经典就是克劳修斯表述——「熵增加原理」

「熵增加原理」简单点来说就是:孤立系统的熵值永远是增加的(更精确的说,是永不减少)。

我们来花些时间大概搞懂这句话:

1、孤立系统

在热力学之中,与外界没有物质交换,但有能量交换的系统称为「封闭系统」,比如:密封的不保温的不锈钢水杯。

在热力学之中,与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统称为「孤立系统」,比如:密封的绝对保温的不锈钢水杯(理论上存在)

看到这里,我想请你停下来,花一分钟思考一下,整个「地球生态圈」是一个「孤立系统」吗?答案之后会揭晓。

2、「熵值」永远是增加的,永不减少

我们之前说过,在转换过程中耗散的、无法再利用的能量就是「熵」,又根据「能量守恒定律」这些能量并没有消失,只是由“可以利用的能量”变成了“无法利用能量”

从“可以利用的能量”到“无法利用的能量”,其实就是能量的分布由“聚在一起”变成了“平均分布”

只有“聚在一起”的能量才是能够被利用的,而“平均分布”的能量则不能被利用,这是什么意思?

下图是一张水坝的照片:

我们把水坝暂时看作一个「孤立系统」(外界的物质与能量无法影响到它)。

这时水坝一侧的水位比另一侧要高,水的重力势能“聚在一起”,当我们打开水坝,水就会倾泻而出,倾泻而出的水可以带动发电机发电。

这时的能量转换就是:(水)重力势能→ 机械能→ 电能。

那么如果说水坝两侧的水位是相等的话,水就“平均分布”了,不会流动,我们也就无法利用水来发电。

例子中的“聚在一起”的能量,是一种「有序的能量」(熵值小),它会朝一个方向运动,是可以被利用的。

“平均分布”的能量,是一种「无序的能量」(熵值大),它不会自发的运动,不可以被利用。

我们回到「熵增加原理」,「熵值」增加的意思就是——无法利用的能量会越来越多。

综上所述,「熵增加原理」的意思是:在没有外界影响的情况下(孤立系统)无法利用的能量会越来越多,而且这个过程无法自发逆转。

霍金的解释是「熵减」(逆转)来自于系统外部,不可能来自内部。所以整个孤立系统的能量会慢慢变成“你有我有全都有”的平衡状态。

有些聪明的小伙伴会想到,如果我们将水坝中的水用水泵抽到一侧,强行制造「有序的能量」加以利用不就可以了吗?

没错,这样确实是制造了「有序的能量」,但我们在进行“将水坝中的水用水泵抽到一侧”这个过程中还是会消耗、耗散能量,这还是在制造「无序的能量」(熵增)。

所以,我们可以局部制造「有序的能量」(熵减),但只是将「无序的能量」(熵增)转移到其他地方,整个系统的「熵值」还是在增加。

「熵增加原理」是一个令人绝望的规律,它预示着人类、地球乃至宇宙的最终命运就是走向「热寂」——一种完全无序的、没有生命与意识存在的状态,宇宙的死亡

「热寂说」是「熵增加原理」对宇宙最终结局的推论,这一推论是否正确,引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。

由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题,因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界,成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。

「热寂说」将整个宇宙当成一个孤立系统,认为宇宙的熵会趋向极大,最终达到热平衡状态,即宇宙每个地方的温度都相等。

哲学家伯特兰·阿瑟·威廉·罗素(Bertrand Arthur William Russell)发出这样悲观的感叹:

“一切时代的结晶,一切信仰,一切灵感,一切人类天才的光华,都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。

人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中–所有这一切,几乎如此之肯定,任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。

唯有相信这些事实真相,唯有在绝望面前不屈不挠,才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”。

即使是像控制论之父维纳(N.Wiener)这样的科学巨匠,最终也”控制”不住自己沮丧的感情,几乎是在绝望中悲叹:

“我们迟早会死去,很有可能,当世界走向统一的庞大的热平衡状态,那里不再发生任何真正新的东西时,我们周围的宇宙将由于热寂而死去,什么也没有留下……”

但是,「热寂说」存在着一个很大的疑问:

①、「熵增加原理」是基于有限空间得出的结论,这样的结论是否适用于整个宇宙?

②、「熵增加原理」成立的先决条件是「孤立系统」,那么如何证明整个宇宙是一个「孤立系统」?

我们回到前面文中留下的问题:整个「地球生态圈」是一个「孤立系统」吗?

答案是否定的,「太阳」对「地球生态圈」的影响非常大,「太阳」一直都在向「地球」传递「低熵」能量(阳光)。

20世纪60年代,「大爆炸理论」越来越受到主流天体物理学的承认,随着陆续发现的证据以及支持(哈勃红移、氦元素丰度、3K微波背景辐射……),「热寂说」渐渐退出主流。

随着「大爆炸理论」研究的深入,科学家发现宇宙很可能就这么一直膨胀下去,而且膨胀的速度越来越快。

这样的结局其实和「热寂说」很类似,科学家们称之为「冷寂」,不管怎么样,为300亿年之后的事情担心,现在还确实早了点。

我们再说回「熵」,「熵」的概念在其他领域的引申有:信息熵(香农熵)、生物熵、熵病等等,这些概念这里就不展开说了,有兴趣的小伙伴可以自己去了解。

最后,总结来说,「熵」在不同的领域会有不同的解释,但其本质都是一个系统“内在的无序(混乱)程度”。

有兴趣深入了解「熵」的小朋友,可以从「统计力学」、「信息论」方面入手,越深入了解就会越觉得“一切都是天注定”。

哎!我脑子里突然蹦出一句话:

天之道损有余而补不足——《老子》

既然前面都说到了「热力学第一、第二定律」,咱们就来简单说说永动机吧(说机不说吧,文明你我他)。(热力学还有第三定律,讲的是「熵增」为零的状态,这里就不讨论了)

第一类永动机:不消耗任何能量,却可以源源不断的产生能量,违反了「热力学第一定律」(能量守恒定律)。

第二类永动机:不消耗任何能量,吸收周围的能量并输出使用,违反了「热力学第二定律」(熵增加原理),就像文章开头的动图,“神奇博士”徒手将能量聚集在双手上并输出。

本着飞黄腾达、扬名立万的美好愿望,永动机的发明者前赴后继,但都一一失败。

达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想。

1617 年到1903 年之间,英国专利局就收到约600 项永动机的专利申请

1775年,法国科学院决定不再刊载有关永动机的通讯,并宣布”本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。

1917 年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。

这倒不是说政府故意打压“永动机”的民间研究,因为一台机械是否能“永动”问题的关键,根本不在机械设计方面,而是在物理定律。

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