火星一号|为什么熵增原理被认为是让人绝望的物理定律？如果要让你选择一条最喜欢的物理学定律

文章图片
如果要让你选择一条最喜欢的物理学定律，你会想到什么？是相对论的质能方程，还是量子力学的不确定性原理，或者说牛顿运动定律？
在影响世界最为深刻的物理定律中，有一条让人印象深刻，甚至让人感到绝望，这就是“熵增定律” ，或称热力学第二定律。这个定律几乎决定了宇宙的最终归宿，导致一些科学家悲观地表示，宁愿没有发现这条定律。
那么， “熵”是什么意思？为什么熵会一直增加？
关于熵的概念，可以从两个方面来理解。
其一，孤立系统的有序度或者混乱度可以用“熵”来表征。系统越有序，无序度越低，则熵越小，反之亦然。

文章图片
举个例子，假设一个容器的中间有个隔板，左侧装着水，右侧装着无水乙醇，此时系统的熵较小。如果拿掉中间的隔板，水和无水乙醇就会自发地混合在一起，系统的有序度下降，熵就会增加。这个过程是不可逆的，水和乙醇混合之后不能自发地分离开来，所以熵只会自发地变大。
其二，孤立系统中能被用于做功的能量（有效能）多少也可以用“熵”来表征。系统的有效能越多，则熵越小，反之亦然。
举个例子，汽油燃烧之后可以推动活塞做功，从而驱动汽车前进。汽油燃烧后，还会产生一些废热，这些热量无法被收集过来用于做功，所以有效能变少了，熵随之增加。

文章图片
物理学家克劳修斯基于上述事实，最早提出了熵的概念，并对熵增定律进行了系统阐述，归纳出了热力学第二定律。正是由于熵增原理的存在，禁止了那些试图从大气或者海洋中提取热能来制造永动机的黄粱美梦。
那么，自然界中是否有“熵减”的现象呢？
著名量子物理学家薛定谔指出，包括你我在内的任何生命都是“负熵体” ，我们都在进行逆熵的过程。为了维持生命的运行，我们要不断消耗能量，与熵增原理作对抗。

文章图片
然而，熵增原理不会被打破，生命必然会有走到尽头的那一天。作为负熵体，生命会消耗宇宙中的有用能，从而让整个宇宙的熵变得越来越大。
就目前所知，宇宙包含了一切，所以宇宙是一个孤立的系统。既然如此，熵增定律作用于整个宇宙，就会导致宇宙不可避免地走向衰亡，我们没有办法逆转这个令人绝望的过程。

文章图片
当宇宙耗尽全部的有效能，再也没有能量可以被用于做功，生命的存在无法维持，整个宇宙的有序度降到最低，熵增加到最大，宇宙将会迎来“热寂”的结局，这个时间估计是在10^1000年之后。
宇宙终结于热寂似乎是不可避免的，除非“麦克斯韦妖”真的存在。著名物理学家麦克斯韦认为，宇宙中也许有一种特殊的机制可以对抗熵增，它可以追踪宇宙中每个粒子的运动，能够让混合之后的不同粒子分开，从而出现熵减，这种特殊的存在被称为“麦克斯韦妖” 。

文章图片
【火星一号|为什么熵增原理被认为是让人绝望的物理定律？】当然，麦克斯韦妖只是一种设想，其存在并没有得到证实。那么，你是否认可麦克斯韦妖的存在呢？