熵增定律,为什么会被称为令人绝望的物理定律?

自然界中的现象遵循着某一规律,物理学家通过不断观测,并进行大量实验,最终总结出了科学结论,这就是物理定律。事实证明,物理定律行之有效。如果没有物理学家前赴后继地发现新定律,人类的科技就不可能发展起来。

物理定律给人类带了无限的可能,基于物理定律,我们可以实现前人难以想象的事情,例如,人类登陆月球,无人探测器飞出太阳系。但同时,有些物理定律也给人类带了绝望,以致于一些物理学家宁愿不想发现它,这就是熵增定律,或称热力学第二定律。

那么,熵是什么?熵增又是怎么回事?为什么这条物理定律会让人类看不到未来?

一个冷的物体和一个热的物体相互接触,在正常情况下,冷的物体不可能把热量自发地传递给热的物体,让冷的物体更冷,热的物体更热,这就是热力学第二定律,物理学家克劳修斯是这个表述的提出者。只有热的物体才能自发地把热量传递给冷的物体,这个过程是不可逆的。

之所以空调和冰箱能够制冷,这并非是自发的过程,而是因为它们消耗了电能,同时还会产生一些废热。从能量角度来看,熵用于表征能够用于做功的能量(有用能)总和。有用能越多,熵越低。有能用消耗掉之后,熵会变得越来越大。

制冷器的制冷过程需要消耗电能,并向外界释放出热量,能量出现退化,这会导致宇宙的熵变大。人类以及地球上的所有生命活动也要消耗能量,用于对抗熵增,否则生命就无法存活,因为生命可以说是一种负熵体,最终的结果会导致整个宇宙的熵变大。

从微观角度来看,任何事物都是由各种粒子组成的。一个系统中粒子的有序度也可以用熵来度量,混乱的程度越低,有序的程度越高,熵也越低。

镜子中的原子有序排列,当镜子打碎之后,原子排列的有序度会降低,这意味着熵会增加。打碎的镜子无法自发复原,所以熵增是不可逆的。从某种意义上来说,熵增的方向就是时间流逝的方向,不可逆的熵使得时间不可逆转,时间只能朝着一个方向流逝。

目前的理论认为,整个宇宙是一个孤立系统。随着宇宙中的有用能量不断被消耗掉,混乱程度变得越来越大,熵将会不可逆转地增加。直到最终,有用能量耗尽,混乱程度达到最大,熵增加到最大,宇宙处于热力学平衡的状态。

到了那时,熵不再增加,时间将会到达尽头,宇宙也将失去生机,这就是理论预言中的宇宙“热寂”。如果不出意外,10^1000年之后,宇宙中的所有天体和物质都会衰变成轻子(比如电子、中微子)和光子,宇宙将会不可避免地达到最低能量的状态。

除非宇宙中存在能够任意操控单个粒子运动的“麦克斯韦妖”,或者宇宙之外还有其他宇宙提供能量,或者量子效应在满是轻子和光子的宇宙中发挥主导作用,我们的宇宙才有可能避免热寂的结局。