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不知道你有沒(méi)有發(fā)現,不管再怎么整理,房間總會(huì )很容易變得很亂:床上被子亂堆,衣服丟得到處都是,書(shū)架上的書(shū)被亂七八糟地擺在桌面上,坐墊又掉在地上了……起床時(shí)明明已經(jīng)把所有的物品都整理得齊齊整整,可是不知道為什么,一到晚上房間又會(huì )變得很亂。所以,我們總是需要耗費一定的精力和時(shí)間來(lái)整理房間讓所有物品歸位。當然了,有的時(shí)候你可能也會(huì )偷懶,對這些置之不理,但是不論你整不整理,房間終歸還是會(huì )變得很亂。
其實(shí),房間變亂的現象和自然規律如出一轍。宇宙中,每一個(gè)獨立的系統傾向于往總能量最低、混亂程度最大的狀態(tài)變化。物理學(xué)家們用一個(gè)熱力學(xué)量,也就是 “熵”來(lái)描述這種混亂程度。
這個(gè)熱力學(xué)量不僅僅給很多科學(xué)家帶來(lái)了靈感,更激發(fā)了很多藝術(shù)家、商人,大家都對“熵”具有濃厚的討論興趣。
宇宙中的“熵”值具有增長(cháng)的特性。這個(gè)特點(diǎn)是熱力學(xué)第二定律的內容,也稱(chēng)為“熵增定律”,是我們的現實(shí)生活最能直觀(guān)反映出來(lái)的定律之一。
熵增變化也解釋了時(shí)間是怎么運轉的,在日常生活中,我們能通過(guò)各種不同的表現形式見(jiàn)證過(guò)去到未來(lái)的變化。和空間不同的是,時(shí)間的運轉是不對稱(chēng)的——我們不能回到過(guò)去,我們經(jīng)歷的一切都只能面向未來(lái)。在時(shí)間向未來(lái)進(jìn)行的同時(shí),熵值也一直在增加——整理過(guò)后,你的房間還是會(huì )越來(lái)越亂;當你摔壞一個(gè)紅酒杯,杯子會(huì )碎成若干塊,散落在地毯上,并且再也無(wú)法被拼湊回原來(lái)的酒杯了。生活不能夠像播放視頻一樣倒帶,因為時(shí)間無(wú)法倒退。
熵的概念是在18世紀下半葉,即在工業(yè)革命時(shí)期德國科學(xué)家魯道夫·克勞修斯提出來(lái)的。之后,物理學(xué)家路德維?！げ柶澛U明了熱力學(xué)第二定律的統計性質(zhì)。那時(shí)人類(lèi)剛開(kāi)始研究熱機,如蒸汽機、火車(chē)頭等。人們發(fā)現熱量總是從溫度更高的物體傳遞給溫度較低的物體。一個(gè)只有25攝氏度的物體不會(huì )傳遞自身的熱量給一個(gè)100攝氏度的物體。震動(dòng)頻率更高的物體會(huì )使得震動(dòng)頻率較低的物體加快震動(dòng),但這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)并不能成立。
但人體是個(gè)例外,人體沒(méi)有遵守熱力學(xué)平衡規則。體溫之所以一直保持在36攝氏度左右,是因為這是能夠讓身體各個(gè)器官正常運作的最佳溫度。我們一直靠進(jìn)食來(lái)補充自身消耗掉的能量。人類(lèi)攝入各種各樣的食物,并且消化掉這些食物,使其變成二氧化碳、有機物等等。也就是說(shuō),我們解構了環(huán)境中的各種成分,使其變得無(wú)序,以維持人體的秩序。人類(lèi)一直在同熵增定律進(jìn)行抗爭。當一個(gè)人和環(huán)境保持了熱力學(xué)平衡時(shí),則意味著(zhù)一個(gè)很可怕的事實(shí):這個(gè)人已經(jīng)死了。
科學(xué)逸事:
當宇宙的熵值達到無(wú)限大以至于無(wú)法再增長(cháng)時(shí),在熱力學(xué)上,宇宙就已經(jīng)處于死亡狀態(tài)了,因為此時(shí)宇宙中的一切物體都處于熱力學(xué)的平衡狀態(tài),宇宙的溫度也會(huì )到達絕對零度。在這種情況下,不會(huì )再有任何能量可以用來(lái)做功,就好像天塌下來(lái)然后世間萬(wàn)物都崩塌了一般。但幸好,宇宙要達到這個(gè)狀態(tài)至少還要10100年的時(shí)間。
除了宇宙的崩塌之外,熱力學(xué)第二定律在我們的生活中還有一個(gè)更為常見(jiàn)的表現——我們在做功的過(guò)程中始終會(huì )消耗掉部分能量,不能實(shí)現百分百的能量轉換,做功過(guò)程中總會(huì )將部分能量以熱能的形式浪費掉——機器在運轉時(shí)會(huì )發(fā)燙變熱——而且這種變熱并不是我們想要的結果,是一種對我們投入的能量的浪費。一臺機器永遠無(wú)法百分百地實(shí)現能量的轉化。這個(gè)熱力學(xué)定律解釋了為何永動(dòng)機是不可能存在的——永動(dòng)機就是能夠永遠不需要外來(lái)能量的補給(不需要電池、燃料供能)、不會(huì )浪費任何能量,并能夠永遠運轉的機器。歷史上有許許多多的發(fā)明家曾想方設法地要創(chuàng )造出一臺永動(dòng)機。顯然,他們無(wú)一成功。
熵增定律還可以解釋事物的不可逆轉性。比如說(shuō),如果你把一包白糖倒進(jìn)水中,然后用攪拌棒把糖攪拌開(kāi)來(lái),糖會(huì )融化到水中。這個(gè)時(shí)候,如果你換相反方向來(lái)攪拌,糖還是會(huì )融化在水里,而不會(huì )恢復成原來(lái)的固態(tài)。為什么會(huì )這樣呢?這是因為在攪拌的過(guò)程中,糖的熵值增加了,糖分子擺脫了固態(tài)時(shí)的有序狀態(tài),和水分子混合在一起,排列得更加混亂無(wú)序了。這符合熵增定律,所以是一個(gè)不可逆轉的過(guò)程。那些不會(huì )和外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換的過(guò)程(絕熱過(guò)程)只有在其熵值不變的情況下能夠實(shí)現逆轉。然而,如果我們發(fā)現某個(gè)事物的運行過(guò)程會(huì )降低其熵值,那意味著(zhù)其周?chē)h(huán)境的熵增加了,而且總熵值肯定也是增加的。所以,當我們工作時(shí),我們或許確實(shí)可以降低某物的熵,如整理我們的房間。但是,這個(gè)過(guò)程是一定會(huì )消耗許多能量的,畢竟大家心知肚明,收拾房間有多累。
《辛普森一家》有一集,荷馬對他老婆發(fā)出吶喊:“麗薩,這個(gè)家里遵守的可是熱力學(xué)定律啊!”
我把“為什么宇宙和你的房間一樣,總是很容易變得一片混亂?”這個(gè)問(wèn)題發(fā)表在了各大社交網(wǎng)站上。
這里有一些充滿(mǎn)智慧的評論:
A: 因為熵增定律。如果你有一個(gè)強迫癥的媽媽,那再好不過(guò)了。
B: 這不叫亂,這是行為藝術(shù)。
C: 宇宙的混亂是我兒子搞的?胡安,你給我等著(zhù),我這就來(lái)收拾你!
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