第十四章 宇宙自杀之迷

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从熵的角度出发，热力学第二定律可以被描述为：不可逆热力过程中，熵的微增量总是大于零。ｘ
　　
　　那么……问题来了，【熵】到底是什么？
　　
　　在统计学意义上，熵度量的是系统的无序度，也就是说，系统越杂乱无章，它的熵值越大。
　　
　　简而言之，热量从热的地方，流到冷的地方，经过足够的时间，所有的热量都会平均。这都是显而易见的特性，毫无神秘之处：开水变凉，冰块融化。要想把这些过程颠倒过来，就非得额外消耗能量不可。
　　
　　但就是这么简单的定律，太让人讨厌，让人对世界充满了绝望。
　　
　　科学家宁愿没有发现它，甚至有人因为它自杀。
　　
　　就最广泛的意义而言，热力学第二定律认为，宇宙的“熵”与日俱增。
　　
　　例如，机械手表的发条总是越来越松；你可以把它上紧，但这就需要消耗一点能量。这些能量来自于你吃掉的一块面包，做面包的麦子，在生长的过程中需要吸收阳光的能量；
　　
　　太阳为了提供这些能量，需要消耗它的氢来进行核反应。
　　
　　总之，宇宙中每个局部的熵减少，都须以其它地方的熵增加为代价。
　　
　　“在一个封闭的系统里，熵总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。”
　　
　　但对宇宙来说，是不存在“外界”的。因此，宇宙一旦到达热动平衡状态，就完全死亡，这个最终的结果，简称为“热寂”。
　　
　　到那时，恒星熄灭，黑洞死亡，所有的原子几乎均匀分布在宇宙空间，所有空间温度相同。
　　
　　到了热寂时代，微小尺度的量子事件成为最终主导。
　　
　　“热寂”，是人类对宇宙结局的一大猜想。
　　
　　对于整个宇宙到达热寂，至少需要10^1000年，对于人类来说，这个结局还过于遥远。
　　
　　所以，让我们回到更小一点的角度来描述“熵增理论”。
　　
　　一间房子，如果无人打扫，随着时间的流逝，必然会沾满灰尘。这个时候，我们可以认为，房间的无序程度增加了，也就是代表整个房间的熵自发地增加。
　　
　　如果有人进入房间打扫，房间变得干净，是不是房间的熵减小了呢？
　　
　　是的，局部熵减小了，但是“人+房间”的熵并没有减小。
　　
　　人在打扫的过程中消耗了体力，这导致了“房间”这个孤立系统的熵减小。由于能量转化过程会不可避免地产生不能做功的热能，所以这个增量，是大于“房间被打扫干净”带来的无序度减少的。
　　
　　从总体来看，“人+房间”系统的熵值还是增加了。
　　
　　对于这个熵增结论，科学家们非常不满，这意味着世界的无序程度一直在增加，未来是不美好的。
　　
　　为了找出一个更有力的反例，人们试图创造永动机或者其他的方式，来规避熵增。
　　
　　1871年，英国物理学家麦克斯韦设想了这样一个实验：有一个箱子被一块板一分为二，板上有一个活门，由一个从海加尔山抓来做苦力的小精灵把守。
　　
　　小精灵能测量气体分子的速度，对于右边来的分子，如果速度快，他就打开门让其通过，速度慢就关上门不让通过。
　　
　　对于左边来的分子，则速度慢的就让通过，速度快的就不让通过。
　　
　　一段时间以后，箱子左边的分子速度就会很快，右边则会很慢。
　　
　　这意味着箱子的无序度降低了，熵减少了。
　　
　　机智的麦克斯韦还假定，活门既无质量也无摩擦，那么在这一过程中小精灵并没有做功，这不就违反了热力学第二定律吗？
　　
　　直到60年后，这个问题才被圆满解决。
　　
　　匈牙利物理学家西拉德提出，做功的是小精灵的“智能”。
　　
　　他认为，获取信息的观测过程（小精灵判断分子的速度快慢）需要能量，必然会引起熵的增加，其数量不少于因分子变得有序而减少的熵。
　　
　　这样，由箱子、分子和小精灵组成的整个系统，就仍然遵守热力学第二定律。
　　
　　现在回头来看，获取信息需要额外做功是顺理成章的，然而在19世纪末，睿智如麦克斯韦也没有看出小精灵的“观测能力”，对箱子--分子--小妖系统的影响。

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