宇宙和你的房間一樣

☉〔西班牙〕大衛·加耶 ◎姜 寧譯

不知道你有沒有發現，再怎么整理，房間還是很容易變得很亂：床上被子亂堆，衣服被丟得到處都是，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時間和精力來整理房間，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，但是不論你整理不整理，房間總是容易變得很亂。

其實，房間變亂的現象和自然規律如出一轍。宇宙中，每一個獨立的系統都傾向于往總能量最低、混亂程度最大的狀態變化。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帶來了靈感，更激發了很多藝術家、商人等的想象力，大家都對“熵”具有濃厚的討論興趣。說不定，你會在酒吧、藝術講座等場合聽到這個名詞。

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，也被稱為“熵增定律”，是我們的現實生活中最能直觀反映出來的定律之一。根據熱力學第一定律，即假設宇宙中的總能量守恒，那么熵的增量總是大于零。這就解釋了很多現象產生的原因。

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。在時間向未來行進的同時，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，杯子會碎成若干片，散落在地毯上，并且再也無法被拼湊成原來的酒杯了。生活不能像播放視頻一樣回放，因為時間無法倒退。

熵的概念是在18世紀下半葉，即在工業革命時期，由德國科學家魯道夫·克勞修斯提出來的。之后，物理學家路德維希·玻爾茲曼闡明了熱力學第二定律的統計性質。那時，人類剛開始研究熱機，如蒸汽機、火車頭等。人們發現熱量總是從溫度更高的物體傳遞給溫度較低的物體。也就是說，一個只有25℃的物體不會傳遞自身的熱量給一個100℃的物體。考慮到物體的溫度是組成物體的分子震動產生的外在表現，這就好理解了：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。所以，在較高溫度下，冰塊會融化成水，它的分子結構變得松散，并且會吸收熱量。相反，冰箱可以讓食物在外界炎熱的環境中保持低溫，但是這個過程需要持續的電流輸入，來提供充足的外來能量補給。

但人體是一個例外，人體是一個沒有遵守熱力學平衡規則的系統。天氣寒冷時，我們的體溫并不會下降到和環境溫度一樣；夏天到來后，我們的體溫也不會高達40℃。體溫之所以一直保持在36℃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（除了我們生病、發燒等特殊情況）。另外，人體是一個非常有秩序的系統，其中各個器官、組織、細胞都在有序運轉……我們到底是怎么做到在違背熱力學定律的情況下仍能安穩地生存在世界上的呢？這是因為，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、氨化合物和其他被分解的有機物。也就是說，我們解構了環境中的各種成分，使其變得無序，以維持人體的秩序。可以說，人類一直在同熵增定律進行抗爭。當一個人和環境保持了熱力學平衡時，就意味著一個很可怕的事實：這個人已經死了——因為尸體溫度會和環境溫度一樣，而不會保持在36℃。

當宇宙的熵值達到無限大以至于無法再增長的時候，在熱力學上，宇宙就已經處于死亡狀態了，因為此時宇宙中的一切物體都處于熱力學的平衡狀態，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至少還要10100年的時間。

除了宇宙的崩塌，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——我們在做功的過程中始終會消耗掉部分能量，即我們不能夠實現百分百的能量轉換，在做功的過程中總會將部分能量以熱能的形式浪費掉——機器在運轉時會發燙變熱，但這種變熱并不是我們想要的結果。這種變熱是一種對我們投入的能量的浪費。從這個意義上來說，一臺機器永遠無法百分百地實現能量的轉化。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明家曾想方設法要創造出一臺永動機。顯然，他們無一成功。

此外，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，糖會溶在水中。這個時候，如果你換相反方向來攪拌，糖還是會溶在水里，而不會恢復成原來的固態。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，糖分子擺脫了固態時的有序狀態，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逆轉。然而，如果我們發現某個事物的運行過程會降低其熵值，那就意味著其周圍環境的熵值增加了，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值，如整理我們的房間。但是，這個過程一定會消耗許多能量，畢竟大家心知肚明，收拾房間有多累。

《辛普森一家》里就有一集，荷馬對他老婆發出吶喊：“瑪姬，這個家里遵守的可是熱力學定律啊！”

（碩 明摘自四川文藝出版社《那些聽過卻從未搞明白的問題》一書，劉 宏圖）