《宇宙探索编辑部》

今天明明是周六，我们却在上班。虽然整体工作时间是一样的，可为什么总觉得今天这个班上得格外疲惫？不情愿的你可能已经开始摸鱼，不用紧张，我们已经给大家找到了上班摸鱼的科学依据——“热力学第二定律”。

这条定律认为，随着时间推移，熵有着势不可挡的增加倾向，能量的品质会随着时间的推移而退化。也就是说，持续工作的时间越长，工作状态就越容易变差，能量不知不觉中已经被损耗了。

(相关资料图)

19世纪中期，工业革命正如火如荼，磨坊、工厂林立，蒸汽机也已经成为推动生产的主力。然而，尽管实现了从手工劳动到机器劳动的关键飞跃，蒸汽机的效率却非常低。燃烧木柴或煤炭产生的热，约有95%都变成废热损失在了环境中。这让一些科学家开始深入思考支配蒸汽机的物理学原理，几十年过去了，他们的研究逐渐形成了一个标志性成果：“热力学第二定律”。

这条定律用浅白的话来说就是，产生废热不可避免。第二定律如此重要是因为，它虽因蒸汽机而发现，却放之四海而皆准。第二定律描述了所有物质和能量固有的根本特征，不论是什么结构和形式，也不论有无生命。这个定律表明，宇宙间万事万物都有损耗、退化和凋敝的强烈趋势。

现在，我们将从熵、信息和能量等等概念入手，听一堂理论物理学家、超弦理论的重要开拓者布莱恩·格林（Brian Greene）的物理课。这堂课会告诉你，摸鱼不是你的错，这是自然规律。

本文摘编自《直到时间的尽头》

内容有删节

01

蒸汽机

了解一下蒸汽机的工作原理，对于理解能量——无论是何种形式、何种背景下的能量——如何随时间演化，都不可或缺。而能量演化的方式，也对物质、心灵和宇宙中所有结构的未来都有深刻影响。所以，就让我们从生命与死亡、目标与意义的崇高境界纡尊降贵，去看看18世纪的蒸汽机的声音。

《哈利波特》里的蒸汽火车

蒸汽机的科学原理很简单，但也很巧妙：水蒸气受热会膨胀，进而向外推挤。给一个圆筒的顶部装上密封的活塞，活塞可以沿圆筒内壁自由地上下滑动，圆筒里则装满蒸汽，而蒸汽机就是通过加热这个圆筒来利用上述推挤作用的。蒸汽受热膨胀时，会强力推动活塞，这种向外的爆发力可以让车轮旋转，让碾磨机开动，让织布机运转起来。这样向外用力消耗掉能量之后，蒸汽冷却，活塞滑回原位，并准备好在蒸汽再次受热时向外推动——只要一直有燃料燃烧重新给蒸汽加热，这个循环就会一直重复下去。

蒸汽机在工业革命中的不可或缺，但它为基础科学带来的问题同样重要。我们能从数学角度精确地了解蒸汽机吗？蒸汽机将热转化为有用活动的效率有无极限？在蒸汽机运转的基本过程中，有没有哪些方面跟机械设计或所用材料的细节无关，而只属于普遍的物理学原理？

在苦思冥想这些问题的过程中，法国物理学家萨迪·卡诺开创了热力学：关于热、能量和功的科学。他的观点发了众多科学家在接下来的一个世纪里发展出了一种全新的物理学视角。

02

统计学视角

你如果上过高中物理课，也许还记得，在使用牛顿运动定律分析宏观物体的轨迹时，通常都会默默引入大量的简化。对于物体，我们会忽略其内部结构，将其视为单个的大质量粒子。这是很粗略的近似。然而推动蒸汽机活塞的热蒸汽由大量水分子组成，可能有上亿亿亿个粒子。我们不能直接忽略其中的内部结构，因为正是这些粒子的运动在蒸汽机的运转中居于核心地位。

问题在于，无论是谁，无论在什么地方，无论这些人有多聪明，也无论他们用的电脑有多强大，都不可能计算出在这么大的水分子集合中，每个分子各自会遵循怎样的轨迹。

但结果表明，统计学视角拯救了我们。大型集合有时候自己就能大力自我简化。要准确预测你下次打喷嚏会是什么时候当然很难，或者说干脆不可能。但是，如果把视野扩大到全球所有人口这么大的范围，我们就可以预计出，下一秒全世界会有约8万人打喷嚏。大群体往往会表现出个体层面不具备的统计规律性。

《生活大爆炸》

麦克斯韦、玻尔兹曼等科学家一起开创了一种类似的方法，来分析大规模的原子和分子集合。他们提出不去考虑个别轨迹的细节，而是考虑统计学陈述所描述的大规模粒子集合表现出的平均行为。例如，推动蒸汽机活塞的压力，很难受某个个体水分子所遵循的精确路径的影响。这个压力实际上来自每秒撞击活塞表面的上亿亿亿个分子的平均运动。这才是最重要的。

统计学在今天听起来可能没什么了不起。但在19世纪到20世纪初，统计学的理路与用来定义物理学的严格精确性南辕北辙。要知道，直到20世纪初，都还有备受尊敬的科学家质疑原子和分子的存在。

越来越多的理论和实验方面的论文也都表明，基于对大规模粒子集合的统计分析得出的结论——描述大量粒子如何在容器表面附近弹来弹去并因此对该表面产生压力，如何获得特定密度，又或是如何降低到特定温度——都能与数据精确匹配，让人全无空间去质疑这种方法的解释力。热力学过程的统计学基础就此诞生。

03

熵：第一关

大众文化乐此不疲地随意运用熵来描述从有序演变为混乱的日常情形，或是更简单的，由好变坏的情形。我们还是要先来梳理一下这个概念的精确意义。

《生活大爆炸》

先打个比方。假设你使劲儿摇晃一个装了100枚硬币的袋子，然后把这些硬币都倒出来。要是发现这100枚硬币全都正面朝上，你肯定会大吃一惊。相比之下，如果我们考虑一个只是稍微有点不同的结果，比如说只有1枚硬币背面朝上，那么就有100种不同的方式。因此，得到99枚硬币正面朝上的结果，容易程度是所有硬币都正面朝上的100倍。

我们再计算一下，得到两枚硬币背面朝上的结果有4950种不同方式。有3枚硬币背面朝上的不同方式有161700种，4枚硬币背面朝上的情形有近400万种，5枚硬币背面朝上的情形则有约7500万种......到50枚背面朝上时，这个数字达到峰值，此时的组合方式约有10万亿亿亿种可能。

正如科学家对一个分子一个分子地分析蒸汽不屑一顾，我们通常也不会一枚硬币一枚硬币地去估算一个随机的硬币集合。相反，我们将硬币集合看成一个整体。吸引我们注意的特征是正面朝上和背面朝上的硬币数量之比。因此，我把可能的结果分组，每组包含看起来几乎一模一样的硬币组态，并点算每组有多少成员。

对给定的硬币组态而言，它的熵就是该组态的组的大小。如果有很多这种看起来一样的组态，那么给定组态的熵就很高；如果同类组态很少，给定组态的熵就很低。如果其他条件都一样，那么随机摇晃的结果就更可能属于熵更高的分组，因为这种分组的成员更多。

直觉上说，乱糟糟的组态（想想杂乱不堪的桌面，散落的文档、钢笔和回形针堆积如山）熵很高，因为对各组成部分的重新排列方式有相当多看起来都一模一样：随机重排一个乱糟糟的组态，看起来还是会很乱。井然有序的组态（想想一尘不染的桌面，所有文件、钢笔和回形针都各安其位，井井有条）熵就很低，因为对其组分的重排方式只有很少能看起来一样。跟硬币的例子一样，高熵情形更可能出现，因为混乱组态比有序组态要多得多。

对于硬币，同一个分组的标准是用正面与背面朝上之比定义的，那对气体分子的大型集合来说，“看起来几乎一样”究竟是什么意思？

对容器中大量分子的集合而言，如果不同的组态填充了相同的体积，有同样的气温，产生了同样的气压，我们就说这些组态“看起来一样”。我们将所有看起来一样的分子组态分为一组，称一组当中的所有成员都体现了相同的“宏观态”。该宏观态的熵就是这些看起来一样的组态的数量。

分子数量越少，气温越低，或占据的体积越小，熵就越低。分子数量越多，气温越高，或占据的体积越大，熵就越高。

04

热力学定理

要完全掌握第二定律，还是先掌握第一定律才好。第一定律也广为人知，“能量守恒定律”。一个过程开始时你有多少能量，到结束时你拥有的能量还是一样多。在计算能量时你必须锱铢必较，把一开始的能量储备会转化成的所有形式的能量都算进来，比如动能（运动具备的能量）、势能（储存起来的能量，就像被拉开的弹簧）、辐射（电磁场或引力场等场中具有的能量）和热能（分子和原子的随机颤动）。

只要你追踪得够仔细，热力学第一定律就能保证能量收支表的平衡。

热力学第二定律关注的是熵。跟第一定律不同，第二定律关乎的不是守恒，而是增长。第二定律宣称，随着时间推移，熵有着势不可当的增加倾向。通俗地讲就是，特殊组态倾向于朝着常见组态演化（你精心熨过的衬衫会变得皱皱巴巴），或说有序倾向于退化为无序（你整理好的车库会逐渐恶化成乱七八糟的一堆工具、储物箱和运动器材）。

上面的叙述可能会让你觉得，热力学第一定律和第二定律完全不是一回事。毕竟一个关注的是能量及其守恒，另一个关注的是熵及其增长。但这两个定律实际上有深刻的联系，这种联系也凸显了第二定律隐含的一个事实，一个我们还会反复提到的事实：并非所有能量都生来平等。

我们就拿炸药来举个例子吧。炸药里的所有能量都包含在一个密实有序的化学物包裹中，爆炸之后，炸药里的所有能量都还在，这是第一定律在起作用。但是，由于炸药里的能量转化成了四下散开的颗粒快速、狂乱的运动，现在要利用这些能量可就难得很了。因此，虽然能量的总量没有变，但能量的性质变了。

在爆炸之前，我们说炸药的能量有很高的品质：集中且容易获取。爆炸之后，我们说能量的品质就低了：四散开来，难以利用。炸药爆炸的过程完全遵守第二定律，从有序变成无序，即从低熵变成高熵，因此我们认为，低熵与高品质的能量相关，而高熵与低品质的能量相关。结论言简意赅：热力学第一定律宣称能量的数量在时间推移中是守恒的，而第二定律则宣称能量的品质会随时间的推移而退化。

05

我们回到大爆炸

那么，为什么未来与过去不一样？从我们已经知道的这些来看，答案显而易见：跟过去相比，驱动未来的能量，品质更低，或说未来的熵比过去高。

我们今天身处在一个如此特别、不大可能、令人惊叹的熵低于最大值的状态。今天的状态来自昨日熵更低的状态。而且可以设想，昨天的状态又来自前天的熵还要低一些的状态，以此类推，可以推出一条熵不断走低的路径，带领我们一路走向更远的过去，直到最后抵达大爆炸。大爆炸那里有着高度有序、熵值极低的起点，这就是今天宇宙的熵并非最大值的原因，也让我们有了一个与过去大有不同、变故颇多的未来。

我们的生存需要秩序，从支撑大量生命维持功能的内部分子组织，到为我们提供高品质能量的食物来源，再到对我们的持续生存来说必不可少的精心打造的工具和居所，无一不高度有序。如果没有一个充满有序低熵结构的环境，我们人类不会出现在这里，更不会注意到这些。

06

你就是台蒸汽机

蒸汽机每完成一次循环，熵值复原都非常重要。对此，你可能会想，如果熵没能复原会怎样？这就等于说蒸汽机没有排出足够的废热，因此随着循环进行，蒸汽机会变得越来越热，直至因过热而损坏。假如蒸汽机即将经受此种命运，那怕是会颇为不便，但假设不会有人受伤，那它可能也不会就将人逼进生存危机之中。但论及生命和心灵能否在未来无限持存下去时，同样的物理学原理也是其中的关键。原因在于，对蒸汽机成立的，对你也成立。

《生活大爆炸》

很可能你不会认为自己是台蒸汽机，甚至也不会觉得自己是台诡异的物理装置。但请想想：你的生命涉及的过程也和蒸汽机一样都是循环。日复一日，你的身体燃烧你吃的食物和吸进的空气，好给身体的内部运转和外部活动供能。就算是思考活动——发生在你脑内的分子运动——也是被这种能量转换过程驱动的。

因此也跟蒸汽机一样，你要是无法向环境排出多余的废热从而让熵复原，就会活不下去。实际上，你在做的就是这样的事。我们所有人都在这么做。我们全都无时无刻不在战斗，对抗不断积累的废热，对抗不可遏止的熵增。为了让我们活下去，环境必须吸收并带走我们产生的所有废热、所有的熵。

那么问题来了，环境——现在我们的意思是整个可观测宇宙——是否为吸收这样的废热提供了一个无底洞？生命的熵两步舞可以永远跳下去吗？还是说可能有那么一天，宇宙终究会被填满，于是无法再吸收那些定义了我们的活动所产生的废热，而生命和心灵也遂告终结？用罗素伤春悲秋的话来说，是不是“所有时代的劳动，所有的奉献，所有的灵感，所有人类才智的长明光耀，都注定要在太阳系无所不包的死亡中消逝，代表人类成就的整个神殿，也注定会被埋在宇宙毁灭后的残骸之下”？

其实，你我以及所有人正在经历的现实，可能正在其他很多宇宙中一遍又一遍地发生。每种历史都会无限次地频繁上演。但即便如此，生命和意识也终将化为乌有，一切创造都将消散于虚空。在这样的宇宙中，人类到底该怎样自处？

演化带来秩序，熵使一切复归混沌，沉思宇宙万物之理多年的作者，就在这两种彼此纠缠的原则的指引下，综合多学科见解，以融合科学与人文的浪漫笔触，带我们从宇宙的诞生开始，一路见证宇宙中的结构体（包括恒星、星系等）、生命、意识都可能是怎样产生的，而意识特别是人类思维又为宇宙和自身带来了怎样瑰丽的产物……直到去设想、去面对那宏大又暗淡但终将到来的“时间的尽头”“万物的黄昏”时，我们依然可以从思维这种约等于不可能的活动形态中，得到怎样的收获、启示、意义和慰藉？