本系列文章預(yù)計會有20個章節(jié)，這套文獻將系統(tǒng)講述物理學本身，這里是第六季第2篇
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本來這篇計劃講蝴蝶效應(yīng)的，但發(fā)現(xiàn)為時過早
【正文】
01
在物理學第二季講相對論的時候，我們討論過，愛因斯坦一直有一個最終未實現(xiàn)的愿望，那就是發(fā)現(xiàn)一個宇宙終極理論，來統(tǒng)一宏觀和微觀知識（也就是天體宇宙與量子力學）。
可惜，愛因斯坦還是太過自大，最后還是沒有發(fā)現(xiàn)。有人說，也許他發(fā)現(xiàn)了，但是為了人類未來的安全，撕毀了自己的手稿...
不過好在，愛因斯坦曾經(jīng)苦思冥想：現(xiàn)有的科學定律，哪一條是當之無愧的最高定律？他認為：一種理論前提越為簡練，涉及的內(nèi)容越為紛雜，適用的領(lǐng)域越為廣泛，那這種理論就越偉大。就像畢達哥拉斯定律那樣簡單又充滿智慧。
而當時經(jīng)典熱力學給他留下了極其深刻的印象。
因為他相信只有內(nèi)容廣泛而又普遍的熱力學理論才能通過其基本概念的運用而永遠站穩(wěn)腳跟。通過熱力學，哲學家們發(fā)現(xiàn)了時間之箭，也就是說時間像射出去的箭一樣，是不可逆的。
大家可以思考一個這樣的問題：
無論牛頓還是愛因斯坦的理論，都是時間對稱的。在牛頓體系中，時間無始無終。時間可以無始無終，這與力學的基本定律不矛盾。
但是，在熱力學出現(xiàn)之后，無始無終的時間就自相矛盾了。
熱力學表明宇宙中未來和過去的不對稱性，這就是人們熟知的時間之箭。
如果我們沿著時間的兩個方向看，我們會發(fā)現(xiàn)其中一個方向在137億年前，宇宙處于一個非常特別的狀態(tài)。
這個時間的方向我們稱之為“過去”（past），而另一個方向則稱為“未來”（future）。
物理學家霍金在研究宇宙大爆炸產(chǎn)生的一剎那時刻的行為時，發(fā)現(xiàn)熱力學和宇宙學箭頭指向同一個方向，即無序度增加的時間方向和宇宙膨脹的時間方向一致?；艚鹪谒摹稌r間簡史》一書中寫道：“至少存在三個時間箭頭將過去和將來區(qū)分開來。
它們是熱力學箭頭，這就是無序度增加的時間方向；
心理學箭頭，即在這個時間方向上，我們能記住過去而不是將來；
還有宇宙學箭頭，即宇宙膨脹而不是收縮的方向。
宇宙的無邊界假設(shè)預(yù)言了定義得很好的熱力學時間箭頭，因為宇宙必須從光滑的有序的狀態(tài)開始。
熱力學的優(yōu)越性在于，它建立了不依賴于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)細節(jié)的普遍定律。熱力學與時間性質(zhì)之間存在深刻的本質(zhì)聯(lián)系。
經(jīng)典熱力學有四個定律，第零定律、第一定律、第二定律和第三定律。
熱力學第零定律是說如果兩個熱力學系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。
熱力學第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。鐘速同步的傳遞性，保證了時間可以定義。
熱力學第一定律是能量守恒定律，人們認為能量守恒定律是自然界的一個普遍的基本規(guī)律。這是指時間的均勻性。
熱力學第二定律表達了時間的流逝性，并且有不可逆的方向性。
熱力學第三定律通常表述為絕對零度時，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零，或者絕對零度（T=0）永遠不可達到，表達了時間無始無終的無限性。從統(tǒng)計力學的觀點來看，第三定律是物質(zhì)微觀運動的量子力學本性的結(jié)果。
02
熵是這樣一個量，它在有耗散的情況下不停地增長，當所有進一步做功的潛力都已耗盡，它就達到了極大值，也就是最大無序性。（這個解釋很有含義，大家細細品味）
按照克勞修斯對熱力學第二定律的說法，在可逆過程中熵的改變是零，而在不可逆的過程中，熵總是增加的。
克勞修斯在總結(jié)熱力學第二定律時說：“世界的熵（即無效能量的總和或者無序性）總是趨向最大的量的?！?/p>
（熵在信息論中的公式）
熵是有真實意義的，它量度著無序。
在一個封閉的系統(tǒng)里，物質(zhì)的熵最終將達到最大值。熵是無序的量度。如果熵是衡量不可知的，反過來，可知的就是負熵，負熵也是信息。
信息量所表示的是體系的有序度、組織結(jié)構(gòu)程度、復(fù)雜性、特異性或進化發(fā)展程度。這是熵（無序度、不定度、混亂度）的矛盾對立面，是確定的、有序的、可知的，即負熵。
另一種是廣義熵，它來自信息論和控制論，可應(yīng)用于描述任何一種物質(zhì)運動方式（包括生命現(xiàn)象）的混亂度或無序度。
它的矛盾對立面叫負熵或信息量，是組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度或有序度的表示。
（如圖，杯中的水被倒出來的過程，是一個熵增加的過程，即從有序向最大無序性轉(zhuǎn)化的過程，并且這個過程是不可逆的，潑出的水永遠收不回來。）
1944年，著名的物理學家、量子力學的奠基人之一、諾貝爾物理學獎獲得者薛定諤出版了《生命是什么？》一書，更加明確地論述了負熵的概念，并且把它應(yīng)用到生物學問題中，提出了“生物賴負熵為生”（或譯“生物以負熵為食”）的名言。
薛定諤說：“要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境中不斷地吸取負熵。負熵是十分積極的東西。有機體就是賴負熵為生的?；蛘吒_切地說，新陳代謝中的本質(zhì)的東西，就是使有機體成功地消除了當它自身活著的時候不得不產(chǎn)生的全部的熵?！?/p>
用信息論的術(shù)語來表述熱力學第二定律：如果不從外界得到新的信息，那么對信息所進行的操作和變換不可能使信息量增加，或者說，不確定度不可能減少。
熱力學第二定律的信息論表述方式的含義更廣，可應(yīng)用于并非熱力學過程的任何信息傳遞或變換過程，因此，可以稱之為廣義的熱力學第二定律。
熱力學第二定律對整個物理學來說是基本的定律，因而沒有多少物理學家對其有效性提出懷疑。第二定律使世界帶上了時間不對稱性，使得過去和將來有了分別，違反熱力學第二定律就等于將時間倒轉(zhuǎn)。
我們對時間流逝有方向的感覺，一面固然被經(jīng)典力學、相對論、量子力學搞亂，另一面卻從熱力學中得到支持。如果熱力學第二定律成立，時間應(yīng)該有一個開始。
大爆炸宇宙學告訴我們，時間有一個開始，我們的宇宙開始于137億年前，在這以前，談時間沒有意義。在熱力學第二定律里，熵度量一個系統(tǒng)可變的能力，它跟時間有密切關(guān)系。熵增大方向是時間流逝方向的指路標。
英國物理學家亞瑟·愛丁頓爵士直接說：“熵是時光之箭?！?/p>
總結(jié)：
熱力學是一個值得仔細品味的概念，其所描述的宇宙世界是神秘而又驚奇的。
當然要真正理解熱力學定律還真有點困難，不然早就出現(xiàn)在中學課本里了。
《生命是什么》這本書里說明白一個道理：生命的確減少了自己的熵，但是它這么做的時候一直在加劇增加周圍環(huán)境的熵。
宇宙的首要目標是讓混亂越多越好，希望能快速達到熱寂。
宇宙的次要目標是在局部呈現(xiàn)一些秩序。正是這個目標，使得生命的出現(xiàn)成為可能。
這兩個目標并不矛盾，局部的秩序只能進一步加劇整體的混亂。所以你甚至可以說，宇宙為了能更快地達到熱寂，而“發(fā)明”了生命。
宇宙說：“我不喜歡復(fù)雜，一切從簡、越快越好！”
好，今天就到這里~
Masir 2022/06/16
祝 愉快~
參考文獻
《時空簡史》
