有的事情是具有普遍的確定性的，比如死亡、納稅、熱力學(xué)第二定律。關(guān)于前兩者的文章可謂汗牛充棟，但這一篇文章是關(guān)于第三個的。
1824年，法國物理學(xué)家卡諾在思考蒸汽機工作原理時，首次提出了這一定律。直到今天，熱力學(xué)第二定律仍然巍然屹立，升華成一個不可改變的事實。無論多么努力，你都無法擺脫它那無可動搖的結(jié)論的控制：在孤立系統(tǒng)中，熵永遠不會減少。
那么，熵是什么呢？它為什么會變？
1. 空氣分子有多少種排列？
如果給你一盒空氣，讓你測量它的一些性質(zhì)，你的第一反應(yīng)或許是拿出尺子和溫度計，記錄一些聽起來科學(xué)的重要數(shù)字，比如體積、溫度或壓強。這樣的第一反應(yīng)是合理的，因為你知道像“空氣”這樣的東西實際上是會四處亂竄的，它們是雜亂的微觀分子的集合。或許你的腦袋中曾經(jīng)閃過一個念頭——你要記錄每一個分子行經(jīng)的所有位置和速度，但很快你就會將這些想法拋諸腦后，因為那太過繁瑣和愚蠢。
畢竟，像溫度、壓強和體積這類數(shù)字會提供所有你真正關(guān)心的信息。它們能告訴你與盒子中的空氣有關(guān)的一切，無論你是要打開盒子、壓縮盒子還是讓盒子膨脹。這些空氣分子如何排列并不重要。
這正是關(guān)鍵所在。盒子里的空氣分子有很多不同的排列方法，它們都能導(dǎo)致完全相同的壓強、溫度和體積。你會注意到其中兩個粒子互換了位置嗎？你能捕捉到有幾個分子翻了個面嗎？不，你不能。壓強、溫度和體積都可以保持不變。
這就是熵的作用。那些無法看見的東西（微小的空氣顆粒）在不同排列下，仍能導(dǎo)致完全相同的可觀測的測量（比如壓強），熵的概念所描述的正是這種不同排列方式的數(shù)量。
2.隨著時間變化
但是，為什么這個數(shù)字永遠不會減少呢？為了探索這個問題，我們先來“打掃”一下你的房間吧。
想象一下你終于把所有事情都安排好了，準(zhǔn)備清空周末的日程安排：早起，喝上一杯咖啡之后開始做假期以來已被你拖延已久的事情——打掃房間，從上到下、從里到外都變得干凈整潔。最終，萬物皆得其位，完美！
那種柏拉圖式的理想房間又能維持多久呢？用不了多久你就會清醒地意識到，你周而復(fù)始的所有努力都是徒勞無益的。
但是，為什么你的房間就不能在未來幾年都保持整潔呢？那是因為，只要一件東西變了——只需要一件——它就不再干凈了。床上的臟襪子意味著混亂，一個枕套邊皺了意味著混亂，床頭柜上還有一盒零食餅干？我不會嘲笑你，但那仍然意味著混亂。
在這個例子中，房間里的物件只有遵循某些特定的排列才會導(dǎo)致度量結(jié)果為“干凈”，但是還有數(shù)百萬種其他的排列能導(dǎo)致度量結(jié)果為“混亂”。如果龍卷風(fēng)襲擊了你剛打掃過的房間，它保持干凈的可能性有多大？零嗎？并不是。
存在一種純偶然的幾率——龍卷風(fēng)會卷起你房間里的每一件東西，然后將它放回原位。但這個微小的幾率大約等于你買中了最最厲害的頭獎彩票。所以還是面對現(xiàn)實吧，在這種幾率里你不會是贏家的。在龍卷風(fēng)過后，你發(fā)現(xiàn)房間混亂不堪的概率要遠遠大得多，這僅僅是因為，讓一個房間變得混亂的方法實在太多了。
3.無比苛刻的熵
同樣，你也無法阻止房間里的空氣分子突然決定集體朝同一個方向前進，擁擠到角落里，讓你在真空中窒息。說真的，沒有什么粒子或分子間相互作用的規(guī)律能阻止出現(xiàn)這樣的情況。
但是，空氣分子的運動由無數(shù)的隨機碰撞和運動控制著，這是一場永不停歇的分子運動。本質(zhì)上，這無數(shù)的運動總能讓空氣處于雜亂無章的狀態(tài)：均勻地散布在整個房間。而這都是因為空氣散布于整個房間的方式比擁擠到某個角落里的方式要多得多。
最終，系統(tǒng)永遠不會從無序走向有序（除非想辦法給系統(tǒng)中增加能量，但這就是另一個故事了），因為絕對壓倒性的統(tǒng)計規(guī)律會阻止這樣的事情發(fā)生。無序狀態(tài)和有序狀態(tài)的概率不是10比1或3720比1，而更多的是10³?（為了更好地衡量概率，還可以再加幾個零）比1這種數(shù)量級。
對于那個曾經(jīng)整潔的房間說來，情況就是，讓房間變得干凈的方式很少，而讓房間變得混亂的方式卻數(shù)不勝數(shù)。不同的“混亂”的排列方式（比如把臟襪子放在床上還是放在梳妝臺上）能導(dǎo)致對溫度或壓強的相同測量結(jié)果。熵表示的是，在能夠獲得相同測量值的情況下，可以用多少種不同的方式重新排列混亂的房間。
對于任由自己的混沌裝置支配的系統(tǒng)，它永遠會尋求更高的熵，這僅僅是因為相比于制造整潔，制造混亂方法要多得多——這就是熱力學(xué)第二定律。
撰文：Paul M. Sutter（俄亥俄州立大學(xué)天體物理學(xué)家）
原文鏈接：
https://www.space.com/43138-life-is-chaotic-entropy.html
聲明：轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時更正、刪除，謝謝。
來源： 中科院高能所
