我们往往会对物理学家们的发现感到难以理解,觉得它们深不可测。然而,实际上,大多数科学真理和宇宙奥秘并非隐藏在深山老林之中,反而可能就存在于我们的日常生活中。只是,由于它们太过常见,我们早已习以为常,所以往往对其中的奥秘视而不见。

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拿牛顿与苹果的故事来说。牛顿坐在树下,被苹果砸中,他没有抱怨,反而思考:“苹果为何落向地面,而不飞向天空?” 若有人在现实中问你这个问题,你可能会觉得他异想天开。但科学家们正是凭借这种求知的“疯狂”,才触碰到了科学真理的边界。

当然,牛顿并非被苹果砸中之后就立刻发明了万有引力定律。确切地说,苹果落地的现象启发了他,再加上他对前人研究成果的孜孜追求,才促成了万有引力定律的诞生。

生活中类似的现象比比皆是,很多我们认为天经地义的事情背后,其实都藏着宇宙的奥秘。今天我们要讨论的,就是生活中一个普通的现象,大多数人并不会深究其背后的原因。

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比如,一个玻璃杯碎了之后,它无法自动复原,我们似乎都默认了这个事实。但有没有思考过,为什么玻璃杯不能复原?

一般人可能会觉得这个问题多此一举:碎了的杯子怎么可能复原?你到底想问什么?你是不是疯了?

其实这个问题并非我提出,而是物理学家们曾经探索过的问题,他们通过这一探索,揭示了宇宙的一条重要法则。

他就是著名的奥地利物理学家玻尔兹曼,他提出了一个重要的概念——“熵”,帮助我们理解了令人不安的熵增原理。

“熵”是什么?

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简单来说,“熵”是衡量一个系统有序性的指标。熵越高,系统越混乱;熵越低,系统越有序。而在一个封闭系统中,系统往往会自发地向着熵增的方向演化,这就是所谓的“熵增原理”。

换句话说,在自然状态下,大多数系统都倾向于朝混乱的方向演化,绝不可能自发地朝着有序的方向发展。

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比如,你手中拿着一本书,你将其中的每一页撕下,然后撒向空中,落地后书页将会散乱一地,而不会像之前一样整齐地叠在一起。为什么会这样?

答案是刚才提到的熵增原理。这本书自发地倾向于朝着混乱的方向发展。换句话说,让书页有序地落在地上只有一种方式,而无序地散落则有无数种可能。因此,从概率上看,书页以无序的方式落地的可能性更大,这与我们的日常生活经验相符。

理论上讲,每一页纸理论上都有可能按顺序整齐地落在地上,但现实中我们都知道这种情况几乎不可能发生。如果真的发生了,我们不会单纯地认为这是运气好,而会考虑是否存在其他因素。

这就是熵增原理,万物自发地倾向于朝着混乱、熵增的方向发展。

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事实上,熵增现象在我们的日常生活中无处不在。除了上述的破碎的玻璃杯无法复原外,还有其他许多例子。

例如,一块融化的冰失去了它原本的整齐形状。沙堡在岁月的洗礼下,最终化为一片混乱的沙土。汽油燃烧后变成了各种废气和尘埃,这些都是混乱、高熵的状态,而汽油本身则是相对有序、低熵的存在。

熵增原理,也可以被解读为热力学的第二定律,这是科学领域的基本法则,有多种表述方法。例如,在孤立的系统中,熵只会增加或保持不变,绝不会减少。这意味着孤立的系统不会自发地向低熵、更有序的状态发展。还有一种表述是,热量不会自发地从冷的物体传递到热的物体。

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实际上,熵增原理也揭示了时间的单向性,事物只能沿着一个方向前进,我们不能回到过去。万物都在时间的推动下,不可避免地走向未来,无法回头。

虽然熵增原理看似冷酷无情,但它却是人类文明进步的基石。正是因为万物倾向于朝着熵增的方向发展,我们才能在熵增的过程中“借用能量”,用科学术语说就是“借用负熵”,以尽量延缓或减少人类文明朝着熵增的方向演化。

人类文明的发展过程就是不断创造低熵环境的过程。虽然熵增是自然的基本法则,人类无法逆转这一大趋势,但我们可以通过利用一些低熵资源,在一定范围内和时间内创造出低熵环境。

人类文明所创造的一切,都是从高熵向低熵转变的具体表现,而人类能够利用的最大的低熵资源就是太阳。太阳可以被看作一个高度浓缩的低熵体,在不断向高熵转化的过程中,诞生了许多相对低熵的物质。

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例如煤炭、石油、天然气等,对人类来说都是低熵资源。我们在使用这些资源时,它们会发光发热,转化为各种高熵物质。在这个过程中,人类利用这些光和热创造出各种低熵产物,如汽车、火箭、高楼大厦,甚至是我们人类自己,都是低熵的产物。

简而言之,人类文明的发展过程就是一个不断抗争熵增的过程。尽管我们可以延缓这一过程,但我们无法改变整个宇宙走向熵增的大趋势。在未来遥远的时刻,宇宙可能会达到最大熵,一切有序都将不复存在,标志着宇宙的终结。

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这就是令人恐惧的熵增原理,它展示了无情的时间之箭的行进方向。如果时间倒流,我们会发现,整个宇宙的熵在减少,最终回到宇宙诞生之时,138亿年前的那个奇点,那时的熵最低。而随着大爆炸的发生,宇宙开始变得越来越无序,熵值不断攀升。

那么,既然我们不能阻止熵增,是否意味着宇宙最终会走向彻底的无序呢?

理论上讲,我们可以让宇宙的熵减少,前提是宇宙不是一个孤立的系统。如果宇宙不孤立,那么理论上我们可以从外界或其他宇宙“借用”低熵,以延缓甚至减少我们宇宙的熵,使得宇宙变得更加有序。

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然而,对于我们人类来说,这还是一个非常遥远的愿景。我们只不过是宇宙中的一朵小小浪花,当浪花退去,一切又与我们无关了。