熵增定律,为什么被称为让人绝望的物理定律?

正所谓“惟有天道恒在”,宇宙从创生之初,物理学定律也随之诞生,甚至宇宙有可能就是在某种物理学定律的主导下而诞生。过去138亿年来,宇宙的运行一直受到物理定律的支配,这个过程在未来还会持续下去。

在伽利略、牛顿、麦克斯韦、开尔文、克劳修斯、爱因斯坦、普朗克、玻尔等一众物理学家的努力下,人类得以越来越深入地了解到宇宙运行的规律。这些规律能够为人类所用,并造福于人类。

通过牛顿物理学,我们可以精确预测太阳系的天体运动,什么时候会发生日食,什么时候会出现水星凌日。不仅如此,牛顿物理学还能用于火箭发射的轨道计算。

通过爱因斯坦的相对论,我们知道了引力的本质是几何效应,宇宙中的时间不是统一流逝的。基于此相对论,可以让人造卫星的原子钟与地面上保持同步。未来的星际旅行,还将会基于时间膨胀、虫洞等相对论效应。

通过量子力学,我们知道了物质的基本结构、微观世界是以怎样反常识的方式来运行的。以各种量子效应为基础,电子化的科技能够发展起来,现代科技文明得以建立。可以说,没有量子力学,就不会有现代科技文明。

但就在人类为发现和使用物理定律而沾沾自喜之时,有一条物理定律却让人感到了什么是绝望,没想到宇宙的命运注定会是那么黑暗。纵使我们有多大的能力,也逃不出这条物理定律的掌控,无法扭转宇宙的命运,以致于一些科学家称宁愿不要发现它,这就是“熵增定律”。

熵增定律

关于这条宇宙“终极暗黑定律”,先要从永动机说起。曾几何时,人们总是幻想着制造出能够持续对外做功但不需要消耗能量的机器,这就是永动机。然而,经过成百上千年的尝试,此类永动机从未被真正制造出来过。

随着能量守恒定律的发现,最终宣告了此类永动机的理论不可行性。宇宙万物都有能量,它们会转化成各种形式,但不会无中生有,也不会凭空消失,能量总量始终维持恒定。这一定律又被称为热力学第一定律。

不过,对于制造永动机,有些人还是不死心。既然如此,如果从大自然中提取能量,让机器持续不断转动,这样并没有违背能量守恒定律。但就像第一类永动机的结局那样,这类永动机也是无法制造出来,熵增定律宣告了它们的终结。

一个机器想要不断自发地从外界吸收热量,就需要与外界始终保持温差。但机器不能把吸收到的热量全部用于做功,总有一部分会转化为废热,导致机器温度不断升高,最终抹平了温差,这种机器也就无法继续运转。

能量有多种多样的形式,不同形式的能量所能用于做功的效力是不一样的。于是,物理学家引入了“熵”来描述能够用于做功的有效能量多少。有效能量越多,熵值越小,反之亦然。或者熵也可以表示粒子的有序度,越有序的系统,熵值越低,这可以用玻尔兹曼公式来描述。

在一个孤立系统中,一旦有效能量被用掉之后,尽管能量并没有消失,但它们并不能继续用于做功。也就是说,熵增是必然的,这个趋势是不可逆转的,这个规律又被称为热力学第二定律。

就目前来看,我们所生活的宇宙包含了一切的物质和能量,所以宇宙可以视为一个孤立的系统。既然如此,宇宙的熵将会不可逆转地自发增加。那么,熵能无限增加吗?熵增到最后会是怎样的景象?

热寂

等到宇宙中的有用能量全部耗尽时,熵将会达到最大,并不会无限增加,这就意味着宇宙将会有一个注定的大结局—热寂。待到那时,所有天体变成了黑洞,黑洞最终又会全部蒸发掉,宇宙达到了完全的热平衡,任何生机都会从宇宙中消失,宇宙会变得一片死寂。

宇宙现在还算非常年轻,诞生至今还不到140亿年,宇宙中仍然大量的有用能。要到整个宇宙热平衡的那一天,最快也要在10^1000年之后。但如果在此之前,量子效应重新主宰宇宙,就有可能让宇宙坍缩回奇点,重启宇宙,也许我们的宇宙一直在重复这个过程。