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第十四章 宇宙自杀之迷

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    从熵的角度出发,热力学第二定律可以被描述为:不可逆热力过程中,熵的微增量总是大于零。

    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。

    简而言之,热量从热的地方,流到冷的地方,经过足够的时间,所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰块融化。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。

    但就是这么简单的定律,太让人讨厌,让人对世界充满了绝望。

    科学家宁愿没有发现它,甚至有人因为它自杀。

    就最广泛的意义而言,热力学第二定律认为,宇宙的“熵”与日俱增。

    例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包,做面包的麦子,在生长的过程中需要吸收阳光的能量;

    太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。

    总之,宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。

    “在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。”

    但对宇宙来说,是不存在“外界”的。因此,宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,这个最终的结果,简称为“热寂”。

    到那时,恒星熄灭,黑洞死亡,所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间,所有空间温度相同。

    到了热寂时代,微小尺度的量子事件成为最终主导。

    “热寂”,是人类对宇宙结局的一大猜想。

    对于整个宇宙到达热寂,至少需要10^1000年,对于人类来说,这个结局还过于遥远。

    所以,让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。

    一间房子,如果无人打扫,随着时间的流逝,必然会沾满灰尘。这个时候,我们可以认为,房间的无序程度增加了,也就是代表整个房间的熵自发地增加。

    如果有人进入房间打扫,房间变得干净,是不是房间的熵减小了呢?

    是的,局部熵减小了,但是“人+房间”的熵并没有减小。

    人在打扫的过程中消耗了体力,这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。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,“人+房间”系统的熵值还是增加了。

    对于这个熵增结论,科学家们非常不满,这意味着世界的无序程度一直在增加,未来是不美好的。

    为了找出一个更有力的反例,人们试图创造永动机或者其他的方式,来规避熵增。

    1871年,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,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,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,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。

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