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不知道你有沒有發(fā)現(xiàn),不管再怎么整理,房間總會很容易變得很亂:床上被子亂堆,衣服丟得到處都是,書架上的書被亂七八糟地擺在桌面上,坐墊又掉在地上了……起床時明明已經把所有的物品都整理得齊齊整整,可是不知道為什么,一到晚上房間又會變得很亂。所以,我們總是需要耗費一定的精力和時間來整理房間讓所有物品歸位。當然了,有的時候你可能也會偷懶,對這些置之不理,但是不論你整不整理,房間終歸還是會變得很亂。
其實,房間變亂的現(xiàn)象和自然規(guī)律如出一轍。宇宙中,每一個獨立的系統(tǒng)傾向于往總能量最低、混亂程度最大的狀態(tài)變化。物理學家們用一個熱力學量,也就是 “熵”來描述這種混亂程度。
這個熱力學量不僅僅給很多科學家?guī)砹遂`感,更激發(fā)了很多藝術家、商人,大家都對“熵”具有濃厚的討論興趣。
宇宙中的“熵”值具有增長的特性。這個特點是熱力學第二定律的內容,也稱為“熵增定律”,是我們的現(xiàn)實生活最能直觀反映出來的定律之一。
熵增變化也解釋了時間是怎么運轉的,在日常生活中,我們能通過各種不同的表現(xiàn)形式見證過去到未來的變化。和空間不同的是,時間的運轉是不對稱的——我們不能回到過去,我們經歷的一切都只能面向未來。在時間向未來進行的同時,熵值也一直在增加——整理過后,你的房間還是會越來越亂;當你摔壞一個紅酒杯,杯子會碎成若干塊,散落在地毯上,并且再也無法被拼湊回原來的酒杯了。生活不能夠像播放視頻一樣倒帶,因為時間無法倒退。
熵的概念是在18世紀下半葉,即在工業(yè)革命時期德國科學家魯?shù)婪颉た藙谛匏固岢鰜淼摹Ｖ?物理學家路德維?！げ柶澛U明了熱力學第二定律的統(tǒng)計性質。那時人類剛開始研究熱機,如蒸汽機、火車頭等。人們發(fā)現(xiàn)熱量總是從溫度更高的物體傳遞給溫度較低的物體。一個只有25攝氏度的物體不會傳遞自身的熱量給一個100攝氏度的物體。震動頻率更高的物體會使得震動頻率較低的物體加快震動,但這個過程反過來并不能成立。
但人體是個例外,人體沒有遵守熱力學平衡規(guī)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器官正常運作的最佳溫度。我們一直靠進食來補充自身消耗掉的能量。人類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,我們解構了環(huán)境中的各種成分,使其變得無序,以維持人體的秩序。人類一直在同熵增定律進行抗爭。當一個人和環(huán)境保持了熱力學平衡時,則意味著一個很可怕的事實:這個人已經死了。
科學逸事:
當宇宙的熵值達到無限大以至于無法再增長時,在熱力學上,宇宙就已經處于死亡狀態(tài)了,因為此時宇宙中的一切物體都處于熱力學的平衡狀態(tài),宇宙的溫度也會到達絕對零度。在這種情況下,不會再有任何能量可以用來做功,就好像天塌下來然后世間萬物都崩塌了一般。但幸好,宇宙要達到這個狀態(tài)至少還要10100年的時間。
除了宇宙的崩塌之外,熱力學第二定律在我們的生活中還有一個更為常見的表現(xiàn)——我們在做功的過程中始終會消耗掉部分能量,不能實現(xiàn)百分百的能量轉換,做功過程中總會將部分能量以熱能的形式浪費掉——機器在運轉時會發(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。一臺機器永遠無法百分百地實現(xiàn)能量的轉化。這個熱力學定律解釋了為何永動機是不可能存在的——永動機就是能夠永遠不需要外來能量的補給(不需要電池、燃料供能)、不會浪費任何能量,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)造出一臺永動機。顯然,他們無一成功。
熵增定律還可以解釋事物的不可逆轉性。比如說,如果你把一包白糖倒進水中,然后用攪拌棒把糖攪拌開來,糖會融化到水中。這個時候,如果你換相反方向來攪拌,糖還是會融化在水里,而不會恢復成原來的固態(tài)。為什么會這樣呢?這是因為在攪拌的過程中,糖的熵值增加了,糖分子擺脫了固態(tài)時的有序狀態(tài),和水分子混合在一起,排列得更加混亂無序了。這符合熵增定律,所以是一個不可逆轉的過程。那些不會和外界環(huán)境進行熱量交換的過程(絕熱過程)只有在其熵值不變的情況下能夠實現(xiàn)逆轉。然而,如果我們發(fā)現(xiàn)某個事物的運行過程會降低其熵值,那意味著其周圍環(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,我們或許確實可以降低某物的熵,如整理我們的房間。但是,這個過程是一定會消耗許多能量的,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,這個家里遵守的可是熱力學定律啊!”
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?”這個問題發(fā)表在了各大社交網站上。
這里有一些充滿智慧的評論:
A: 因為熵增定律。如果你有一個強迫癥的媽媽,那再好不過了。
B: 這不叫亂,這是行為藝術。
C: 宇宙的混亂是我兒子搞的?胡安,你給我等著,我這就來收拾你!
