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浅谈近现代物理学与和谐家庭的关系

我认为,熵增定律---热力学第二定律---在自然界的定律中具有至高无上的地位。如果你的理论被发现违背了热力学第二定律,你就一点希望都没有,结局必然是彻底崩塌。--- 爱丁顿爵士 Sir Arthur Eddington

从熵的角度,热力学第二定律可以被描述为:一个孤立系统熵的变化只能增加不能减少,要减少它的熵,外界必须对它做功。

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。

一个系统的无序度何时最大呢?答案是当系统达到宏观平衡,即每个组成单元由着性子放飞自我,最终各得其所的时候:好比早晚高峰时的地铁车厢,鱼贯而入的乘客最后总会站到属于自己的空,而不是站在别人脚上。

举个直观的例子,一间没人照料的屋子只会越来越脏:因为在没有外界参与的情况下,屋子里的每一粒灰尘总会自发地落到地板上,经日积月累平铺成一层灰,并最终成为你被你妈骂的理由。

怕挨骂的小明机智地问:那我勤快点把地扫了,屋子的熵不就减少了吗?

是的,没错。但打扫的过程实质上是小明对屋子这个系统做了功。

回到热力学第二定律定义中的“孤立系统”概念,小明在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“他和房间”这个孤立系统的无序度增加。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,系统的熵值还是增加了。

为了找出一个更有力的反例,1871年,(傲娇的)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(并且提出了可行的设计),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,因此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:点开这篇文章看到这里的你滑手指消耗了生物能,而亮屏的手机以及网络数据传输也消耗了电能。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。

这里就产生了一个悖论: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?

在终极思考上,物理学家做出了和哲学家几乎不相上下的贡献。

薛定谔(没错,就是那个臭名昭著的虐猫狂魔)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。

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。城管们用知识武装自己,用的工具从锄头铲子演进成挖掘机,随后搬来了核武器。

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?

但如果你从这个意义上得到了顿悟,认为既然一切都将伴随着熵的增加归于虚无,倒不如无为而治由他去吧,那么你八成是在给自己逐渐混乱的生活找借口。

我能保证薛定谔不会从坟墓里跳出来抓你替代那只可怜的猫,但不能保证媳妇或者妈不会因为你懒得打扫房间而扣你零花钱。

原文:碎饺@愤怒的椅子

本文于   2018/9/1 上午  发布在  无色庵  分类下,当前已被围观  242  次

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