图集1/22

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作者： 阮一峰

1、
有人曾经问我："成年后，有没有书籍改变过你的世界观？"
我想了想，还真有这样的书。那时，我已经工作好几年了，偶然在图书馆翻到一本旧书《熵：一种新的世界观》（上海译文出版社，1987）。

那本书是科普著作，介绍物理学概念"熵"。中学毕业后，我再没有碰过物理学，但是没想到读完以后，我看待世界的眼光都变了。
"熵"这个概念非常简单，很容易理解，但又异常强大，可以解释很多事情。这篇文章，我就来谈谈，为什么你应该懂得熵是什么，它可能也会改变你的世界观。

2、
为了理解熵，必须讲一点物理学。
19世纪，物理学家开始认识到，世界的动力是能量，并且提出"能量守恒定律"，即能量的总和是不变的。但是，有一个现象让他们很困惑。

（上图中，单摆在两侧的最高点，势能最大，动能为零；在中间的低点，动能最大，势能为零，能量始终守恒。）
物理学家发现，能量无法百分百地转换。比如，蒸汽机使用的是热能，将其转换为推动机器的机械能。这个过程中，总是有一些热能损耗掉，无法完全转变为机械能。

（上图中，能量 E 的转换，总是会导致能量损耗 ∆E。）
一开始，物理学家以为是技术水平不高导致的，但后来发现，技术再进步，也无法将能量损耗降到零。他们就将那些在能量转换过程中浪费掉的、无法再利用的能量称为熵。
后来，这个概念被总结成了"热力学第二定律"：能量转换总是会产生熵，如果是封闭系统，所有能量最终都会变成熵。
3、
熵既然是能量，为什么无法利用？它又是怎么产生的？为什么所有能量最后都会变成熵？这些问题我想了很久。
物理学家有很多种解释，有一种我觉得最容易懂：能量转换的时候，大部分能量会转换成预先设定的状态，比如热能变成机械能、电能变成光能。但是，就像细胞突变那样，还有一部分能量会生成新的状态。这部分能量就是熵，由于状态不同，所以很难利用，除非外部注入新的能量，专门处理熵。

（上图，能量转换过程中，创造出许多新状态。）
总之，能量转换会创造出新的状态，熵就是进入这些状态的能量。
4、
现在请大家思考：状态多意味着什么？
状态多，就是可能性多，表示比较混乱；状态少，就是可能性少，相对来说就比较有秩序。因此，上面结论的另一种表达是：能量转换会让系统的混乱度增加，熵就是系统的混乱度。

（上图中，熵低则混乱度低，熵高则混乱度高。）
转换的能量越大，创造出来的新状态就会越多，因此高能量系统不如低能量系统稳定，因为前者的熵较大。而且，凡是运动的系统都会有能量转换，热力学第二定律就是在说，所有封闭系统最终都会趋向混乱度最大的状态，除非外部注入能量。

（上图中，冰块是分子的有序排列，吸收能量后，变成液体水，分子排列变得无序。）
5、
熵让我理解了一件事，如果不施加外力影响，事物永远向着更混乱的状态发展。比如，房间如果没人打扫，只会越来越乱，不可能越来越干净。

（上图中，如果不花费能量打扫，房间总是越来越乱。）
为什么"世间好物不坚牢，彩云易散琉璃脆"？就是因为事物维持美好的状态是需要能量的，如果没有能量输入，美好的状态就会结束。
这就是我世界观的变化。我从此认识到，人类社会并非一定会变得更进步、更文明。相反地，人类如同宇宙的其他事物一样，常态和最终命运一定是变得更混乱和无序。过去五千年，人类文明的进步只是因为人类学会利用外部能量（牲畜、火种、水力等等）。越来越多的能量注入，使得人类社会向着文明有序的方向发展。

（上图中，经过130多亿年的膨胀，宇宙变得越来越无序了。）
6、
工业革命以后，人类社会的进步速度加快了，变得更加先进有序，消耗的能量也指数级地增长：水力不够了用煤炭，煤炭不够了用石油，石油不够了用核能。
能量消耗越大，就会产生越多的熵。因此，人类社会始终处于一种矛盾状态：整个社会变得更加有序和严密的同时，无序和混乱也在暗处不断滋长。

我们只是依靠更大的能量输入，在压制熵的累积。不断增加的熵，正在各种方面爆发出来：垃圾污染、地球变暖、土地沙化、PM2.5、物种灭绝......甚至心理疾病、孤独感和疏离感的暴增，我认为都是熵的增加对人类精神造成的结果。
我们需要能量，让世界变得有秩序，但这样是有代价的。物理学告诉我们，没有办法消除熵和混乱，我们只是让某些局部变得更有秩序，把混乱转移到另一些领域。
7、
人类社会正在加速发展。表面上，我们正在经历一个减熵过程，一切变得越来越有秩序，自动化带来了便捷。但是，能量消耗也在同步放大，为了解决越来越多的熵，我们不得不寻找更多的能量，这又导致熵的进一步增加，从而陷入恶性循环。

迄今为止，人类一直能够找到足够的能量，解决熵带来的混乱。但是，这种解决方式正变得捉襟见肘。如果我们继续像现在这样加速发展，那么终有一天会出现能量缺口，地球上的能量不足以解决熵，那时一切就会发生逆转，仿佛细小的裂缝演变成巨大的雪崩，秩序开始崩塌，世界走向混乱。

（[说明] 本文出自我正在写的新书《未来世界的幸存者》，点击这里免费阅读全书。）