著名物理学家薛定谔曾在其著作《⽣命是什么》⾥说,“⼈活着就是在对抗熵增定律,⽣命以负熵为⽣。”清华⼤学科学史系教授吴国盛也曾表⽰,如果物理学只能留⼀条定律,我会留熵增定律。就连现代物理学的开创者爱因斯坦也认为“熵增定律”是科学定律之最。“熵增”到底是什么奇怪定律,引得⽆数科学家为之着迷?为什么⽣活中偏偏追求低熵?今天,就和⼤家浅谈⼀下“熵”。
熵(Entropy)这个概念,是由德国物理学家克劳修斯于1865年提出,希腊语中意为“内在”,即“⼀个系统内在性质的改变”,公式中⼀般记为S。熵代表了系统的混乱程度,系统越有序,熵值就越⼩;系统越⽆序,熵值就越⼤。由能量守恒定律我们知道能量的总和是不变的,可能量却⽆法百分百地转换,这些损耗的能量就是熵。
熵增定律作为热⼒学第⼆定律的⼀种表述形式,认为在⼀个不受外界影响的孤⽴系统内,能量只能朝着⼀个⽅向转化,即从可利⽤到不可利⽤,从有效到⽆效,从有秩序到⽆秩序。举个例⼦,假设你的⾯前放置着⼀杯冰⽔和⼀杯常温⽔,你觉得哪个混乱度更⾼?相信⼤多数⼈会说冰⽔,但其实⽔的混乱度更⾼。我们都知道⽔和冰都是由⽔分⼦构成的,不同的是⽔分⼦和⽔分⼦之间的距离不⼀样。
冰具有四⾯体晶体结构,这个四⾯体是通过氢键形成的,晶体中⽔分⼦之间距离⼩,排列规律有序。⽽液体⽔的形成拆散了⼤量的氢键,使得分⼦间排列变得⽆序,故熵变⼤,混乱度升⾼。此外,⽇常⽣活中类似的熵增现象也⽐⽐皆是。⽐如,系好的鞋带会松开,⼿机会越⽤越卡,家⾥铺得很整齐的床单睡过后会变乱等,这些都是熵增现象。
做家长的⼈也⼀定深有感触,孩⼦们玩玩具时如果没有约束,⼀定会把屋⼦搅得天翻地覆、⽆从下脚。当我们把⼀个玩具看作是元素,把所有玩具看作为⼀个系统时,这个系统从整齐变成了混乱。这时候,要想找到某个⼼爱的玩具就变得⾮常困难,因为它可能出现在任何⾓落。这个场景也蕴含了熵增的原理。
我们也可以通过可能性或概率的⽅式来考虑熵。⽐如屋⼦⾥有100个可以放置物品的位置,需要摆放20件物品。
通过组合,可以算出20件物品放置在100个位置上,其总的放置⽅法是⼀个巨⼤的数字:如果将下图中上半部分的放置⽅法定义为“整洁”,也就是说图中20件可以移动的物品都放在了合适的位置,其余放置⽅法都统称为“混乱”。那么:长久地保持这样的“整洁”⼏乎是不可能事件,“混乱”则是必然,所以“整洁”很容易变为“混乱”,这说明了任何事物都是朝⽆序以及熵增⽅向发展的。
熵增定律进⼀步认为,宇宙万物都是从⼀定的价值与结构开始,然后不可挽回地⾛向混乱、荒废。⽆论在地球上还是宇宙或任何地⽅建⽴起任何秩序,都会以周围环境更⼤的秩序混乱作为代价。
就好像我们⾝处的巨型城市和城市中的摩天⼤楼,它们造成了能量的过度投⼊与四处耗散:例如煤炭燃烧的能量并没有消失,⽽是经过转化随着⼆氧化碳和其他⽓体⼀起散发到了空间中;⾷品的过度包装,也是在⼤量消耗地球能量;塑料、⾦属未经回收利⽤,被掩埋到环境中。这些都产⽣了熵或能量的废弃,因此,低熵农业、低熵⼯业、低熵⽣活、低熵社会等等已经成为⼈类为维系⾃⾝⽣存所必须做的事情。
在默认情况下,我们⽣活中的每件事都处于⾼熵状态,除⾮我们倾注更多的精⼒和注意⼒。正如⽔从⾼处流到低处,电流从⾼势能流向低势能。如果没有外⼒做功的情况下,所有的事物都在向着⽆序和混乱发展。所以,当熵增定律回归⽇常⽣活中,我们知道⾃律⽐懒散痛苦、放弃⽐坚持轻松,但假如我们不去对抗熵增规律的话,⼤⾄宇宙,⼩到企业、团队,甚⾄个⼈的⾃我管理,都会随着时间的推移越发脱离掌控。