你好哇，感謝你點(diǎn)擊我的文章，這里是后浪科普，一個(gè)什么都懂一點(diǎn)的賬號(hào)，如果你也對(duì)世界充滿好奇心，可以關(guān)注我，讓我們一起成長(zhǎng)。

相信很多朋友都看過(guò)《信條》了，是一部很燒腦的大片，需要看很多遍都不一定能看得懂，這其中特別值得一提的就是片中的穿越時(shí)空的手段，并不是我們熟悉的引用愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論的概念，坐在時(shí)間機(jī)器上超越光速這么一飛，然后就嗖的回到過(guò)去了，《信條》中的時(shí)空穿越引用的是相對(duì)比較陌生的概念叫熵，今天我們就來(lái)簡(jiǎn)單科普一下這個(gè)熵到底是怎么一回事。

首先我們要知道物理學(xué)中有個(gè)熱力學(xué)第一定律，就是能量守恒定律，大家上學(xué)的時(shí)候都學(xué)過(guò)這個(gè)就不贅述了，那么有第一就肯定有第二，這個(gè)熱力學(xué)第二定律就是熵增定律，大概意思就是說(shuō)一個(gè)孤立封閉的系統(tǒng)內(nèi)部的熵總是會(huì)越來(lái)越大，而這個(gè)熵通俗點(diǎn)說(shuō)就是系統(tǒng)內(nèi)部的混亂程度，熵增大則混亂程度增大，熵減小則混亂程度減小，這里容易讓人搞混的概念就是這個(gè)混亂程度，這里說(shuō)的混亂有時(shí)候其實(shí)還真跟我們平時(shí)認(rèn)為的混亂有點(diǎn)不同。

這個(gè)東西是怎么定義的，其實(shí)很簡(jiǎn)單，舉個(gè)例子，一杯拿鐵是咖啡加奶沖出來(lái)的，一般都會(huì)先沖一杯咖啡然后再加點(diǎn)奶，那如果我們把奶倒入沖好的咖啡中不攪拌，不對(duì)這杯咖啡加奶施加任何外力會(huì)發(fā)生什么？你會(huì)觀察到黑色的咖啡和白色的奶會(huì)在杯子這個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)部慢慢的自行變?yōu)橐槐厣哪描F，這個(gè)過(guò)程就是一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)的熵增過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中我們拆分成三個(gè)階段來(lái)觀察一下，我們一般直覺(jué)會(huì)認(rèn)為這個(gè)咖啡和奶分開(kāi)的時(shí)候很顯然是有序的，這個(gè)時(shí)候不混亂，這個(gè)時(shí)候的狀態(tài)確實(shí)它的熵是小的，而當(dāng)你把奶倒入咖啡中的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)出逐漸混合的情況，我們直覺(jué)上一般會(huì)認(rèn)為這個(gè)是混亂狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)的熵要比上一個(gè)牛奶咖啡分開(kāi)的狀態(tài)熵大一點(diǎn)，但是最終均勻攪拌之后成為一杯拿鐵，這個(gè)時(shí)候我們直覺(jué)就一般會(huì)覺(jué)得這個(gè)應(yīng)該是很有序的，咖啡和牛奶均勻的分布在這個(gè)杯子里這個(gè)也不混亂，但事實(shí)上這個(gè)時(shí)候正是熵最大的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候也是最混亂的狀態(tài)。

其實(shí)所謂的混亂狀態(tài)在物理學(xué)上指的就是各種物質(zhì)均勻地混合在一起，已經(jīng)失去了再發(fā)生其它變化的可能性，這個(gè)就是最混亂的狀態(tài)，也是熵最大的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候如果我們縮小到分子層面就會(huì)看到這杯拿鐵里的每個(gè)牛奶分子和咖啡分子都均勻地穿插著分布在整個(gè)杯子的空間當(dāng)中，這個(gè)時(shí)候再想把它們恢復(fù)成之前各自為政的時(shí)候已經(jīng)基本不可能了，其實(shí)從微觀層面上來(lái)說(shuō)的話物質(zhì)在封閉系統(tǒng)內(nèi)越是均勻分散熵就越大，而從我們?nèi)祟惖某叨瓤吹脑捝町?dāng)中其實(shí)有很多現(xiàn)象都是熵增現(xiàn)象，就好像牛奶和咖啡的混合，而在微觀層面下圖A中的粒子分布熵就是小的而圖B中的那個(gè)熵就是大的。再比如說(shuō)一杯加了冰的水和一杯普通的水對(duì)比的話，那么就是普通的水的熵更大，因?yàn)楸镉斜鶋K，冰塊的密度和水是不一樣的，那么很顯然冰水的均勻程度就不如一般的水。

再舉個(gè)重口味的例子，比如說(shuō)人吃東西的這個(gè)事情，你可能吃了很多東西蔬菜水果肉類等等，吃了很多東西最后經(jīng)過(guò)你的消化和吸收后，然后拉出來(lái)的這坨復(fù)雜的混合體它的熵就比你吃的那些食物們要大，因?yàn)槭卟擞惺卟说姆肿印⑺兴姆肿?、肉又有肉的分子結(jié)構(gòu)各自為政，但是卻在你的體內(nèi)發(fā)生了一系列復(fù)雜的化學(xué)變化，當(dāng)然有一部分被你吸收了成為了滋養(yǎng)你的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，另一部分就是排出體外的這一坨說(shuō)不清道不明地難以言表的各種復(fù)雜分子的混合體，所以它的熵更大。

那舉了這么多例子大家應(yīng)該對(duì)熵的大小多少有點(diǎn)概念了，也應(yīng)該大概可以區(qū)分了，而熱力學(xué)第二定律這個(gè)熵增的概念還有一個(gè)特別的地方，就是它是個(gè)單向時(shí)間軸的定律，任何物理定律都是可以正推反推都可以成立，只有熵增定律是個(gè)特例，它只能增不能減，這也就是它的特殊之處，所以說(shuō)《信條》這部影片諾蘭就開(kāi)了個(gè)腦洞，這個(gè)熵能不能是可以逆的？那么不就沖好的拿鐵可以變回之前的一杯奶一杯黑咖啡，這個(gè)便便也可以變回新鮮的蔬菜水果了，那這個(gè)不就等于是時(shí)光倒流了嘛？這個(gè)和穿越有點(diǎn)不太一樣，過(guò)去說(shuō)到的穿越一般都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地直接過(guò)去，而這個(gè)逆熵你可以看到影片中的設(shè)定，如果要回到一周前那么就要在逆熵狀態(tài)下呆一周，時(shí)光逆流就可以回去了。

當(dāng)然拋開(kāi)影片有人可能會(huì)想不對(duì)吧，難道就真的沒(méi)有熵減的現(xiàn)象嗎？從有序變混亂或者說(shuō)從有某種特定結(jié)構(gòu)變成無(wú)結(jié)構(gòu)的均勻分布的混沌這種現(xiàn)象可能自然界有很多，但是好像從無(wú)序變有序的例子應(yīng)該也不少，你比如說(shuō)我在家房間里均勻分布著各種灰塵，我把這個(gè)屋里打掃的干干凈凈這個(gè)肯定是從無(wú)序變有序吧，灰塵都被我整理干凈了，但是不好意思，封閉空間里的熵一定是增長(zhǎng)，你的出現(xiàn)從房間灰塵的這個(gè)角度來(lái)說(shuō)是屬于從外部引進(jìn)的變量，所以封閉房間內(nèi)的熵比起在你的這個(gè)外力介入之前似乎是減了，但是如果把你這個(gè)變量重新納入這個(gè)封閉系統(tǒng)中的話，那么總的熵就還是在增加，因?yàn)槟愦驋叻块g消耗掉的能量造成的總的熵增遠(yuǎn)比你打掃前的熵要大，打掃完房間你得喝水、休息、還要煮碗面壓壓驚吧，然后再上趟廁所，這一系列過(guò)程造成的熵增已經(jīng)不言而喻，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單說(shuō)就是一個(gè)外力的介入可以使得一個(gè)小范圍的封閉系統(tǒng)熵減，但是這個(gè)局部的熵減卻造成了更大尺度下的熵增，所以總體來(lái)說(shuō)依然是熵增的。

你又說(shuō)那地球上產(chǎn)生的生命這個(gè)就是自然形成的有序結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)一代代的繁衍這種有序結(jié)構(gòu)居然可以奇跡般地延續(xù)下去，這個(gè)總是熵減吧，最起碼實(shí)現(xiàn)了增減平衡吧？因?yàn)檫@是一個(gè)自我循環(huán)的生態(tài)平衡。

這個(gè)說(shuō)到點(diǎn)子上了那咱們就再簡(jiǎn)單聊聊生命，1943年薛定諤在都柏林的圣三一學(xué)院做了一系列演講，其中就提出了生命科學(xué)史上最經(jīng)典的一句話，道出了生命的本質(zhì)就是“生命以負(fù)熵為生”沒(méi)錯(cuò)，生命的出現(xiàn)是一種熵減，但是生命體為了維持自身的熵減卻要更多的將周圍環(huán)境的熵增加，最典型的生命的熵增活動(dòng)就是吃喝拉撒，為了成就一個(gè)大活人那是要犧牲大自然里多少花花草草豬牛馬羊，換句話說(shuō)宇宙當(dāng)中是允許局部地區(qū)出現(xiàn)自組織的熵減現(xiàn)象，然而實(shí)際上這種自組織的這個(gè)局部熵減現(xiàn)象是為了更快地更多地制造熵增，而地球上的萬(wàn)物也根本不是生活在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)，地球上的所謂生態(tài)平衡這種所謂的自組織的熵減現(xiàn)象其實(shí)是建立在我們每個(gè)人都知道的太陽(yáng)這個(gè)外力的呵護(hù)下才成立的，在太陽(yáng)這個(gè)巨大的熵增現(xiàn)象之下，我們地球上那點(diǎn)熵減幾乎可以忽略不計(jì)。

宇宙的終極目的就是為了讓熵增達(dá)到最大，最終讓整個(gè)宇宙達(dá)成熱寂，熱寂就是整個(gè)宇宙都變成那杯拿鐵一樣，什么恒星銀河什么都沒(méi)了，全部打成一鍋粥變成均勻分布在整個(gè)宇宙的粒子，而且到處都是一樣的均勻，不再有任何變化的可能，這個(gè)就是宇宙的終極目的，這么一聽(tīng)是不是很絕望？但是我們暫時(shí)還不用擔(dān)心，因?yàn)楦鶕?jù)科學(xué)家的計(jì)算這個(gè)全宇宙的熱寂估計(jì)怎么也要10∧1000年以后才能達(dá)成，所以我們擔(dān)心熱寂毀滅人類有點(diǎn)想多了，比起熱寂科學(xué)家們還算出過(guò)再過(guò)一兩百億年后我們的宇宙可能會(huì)在暗能量的影響下發(fā)生大撕裂或者大反彈，再遠(yuǎn)點(diǎn)的威脅就是質(zhì)子衰變，這個(gè)大概是在10∧23年之后發(fā)生，所以說(shuō)擔(dān)心熱寂我們真的是想多了，就知道有這么回事就完了。

你可能又要說(shuō)這熱寂我先不管，我就不信這偌大的宇宙當(dāng)中就沒(méi)有用什么東西是熵減的，我咋就不信邪，這個(gè)太陽(yáng)是再燃燒個(gè)100億年也會(huì)壽終正寢，這個(gè)我們都知道那這個(gè)確實(shí)是熵增我承認(rèn)，那么宇宙當(dāng)中創(chuàng)造秩序結(jié)構(gòu)的根源引力它總該是一種熵減現(xiàn)象吧？這個(gè)范圍遍布全宇宙的物理現(xiàn)象總不能說(shuō)它也是有外力干涉的吧？

這個(gè)其實(shí)是只知其一不知其二引力，把星際空間中的散落的物質(zhì)慢慢集中到一處形成一個(gè)更大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)表面上是熵減其實(shí)不然，當(dāng)各個(gè)散落的星際物質(zhì)相互撞擊合為一處的時(shí)候，那么撞擊到一起的力去了哪里？我們都知道熱力學(xué)第一定律就是能量守恒，這個(gè)力可沒(méi)有消失，事實(shí)上它們是被轉(zhuǎn)化成為熱能，熱能最后會(huì)散發(fā)到宇宙空間當(dāng)中，其實(shí)這就是個(gè)恒星從誕生到消亡的過(guò)程，所以說(shuō)引力的工作不是創(chuàng)造秩序，它是為了更快速地制造熵增，把散落的物質(zhì)集中起來(lái)點(diǎn)燃。

說(shuō)到這我突然有個(gè)想法，其實(shí)生命產(chǎn)生的條件是很苛刻的，我們都知道至今為止我們?nèi)祟愡€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地球外有任何生命存在的證據(jù)，雖然我們每個(gè)人都知道偌大的宇宙當(dāng)中一定不可能只有我們地球有生命，最近金星上也發(fā)現(xiàn)了大量的磷化氫，也證明那里很可能有生命，首先聲明咱們地球上的神棍們說(shuō)的什么自己是生活在金星上高維空間的金星人什么的這種胡說(shuō)八道的東西我是不信的，這種人肯定沒(méi)有基本的科學(xué)素養(yǎng)，既不了解金星也不懂什么是高維度，只是把一些一知半解的科學(xué)詞匯拿出來(lái)忽悠一些更沒(méi)文化的老百姓罷了，金星上要不就是有其它我們不知道的產(chǎn)生磷化氫的機(jī)制，要不就是很可能存在某種極其原始的微生物可以適應(yīng)金星上惡劣的氣候，絕不可能存在任何高級(jí)生命的。

拋開(kāi)這些不談，其實(shí)生命的產(chǎn)生以及文明的出現(xiàn)都是需要極其苛刻的條件的，從熵增定律中你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，距離恒星很近的地方環(huán)境很惡劣，那些地方熵增速度是很快的，而距離恒星很遠(yuǎn)的地方那里環(huán)境也很惡劣，各種小行星帶互相撞擊，熵增速度也很快。恰恰是像地球這種位置很好又不冷不熱的地方熵增速度是很慢的，所以宇宙定律就只允許這種環(huán)境宜人熵增速度慢的地方產(chǎn)生生命這種自組織現(xiàn)象，其實(shí)生命的出現(xiàn)就是為了讓這個(gè)地方的熵增加大，那么換個(gè)角度我們?cè)谟钪嬷袑ふ异卦鏊俣嚷牡胤侥抢锞秃芸赡軙?huì)產(chǎn)生生命，當(dāng)然這些只是個(gè)人想法沒(méi)什么依據(jù)。

說(shuō)回剛才的話題，一般的恒星被引力創(chuàng)造之后就會(huì)制造更大的熵增，因?yàn)榘褵崃慷坚尫懦鋈チ?，那么黑洞是不是就比較特別？它可是連光都飛不出去了，那還談何釋放熱？時(shí)間都凝固在黑洞的事件視界了，怎么可能還會(huì)有熵增？黑洞總該是個(gè)特例吧？但是我要說(shuō)的是你要是再早個(gè)幾十年說(shuō)可能連物理學(xué)家呀都被難住了，但是霍金出現(xiàn)后這個(gè)事情就被解釋清楚了，霍金于1975年提出了霍金輻射這么個(gè)理論模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算黑洞是會(huì)散發(fā)出一種叫做霍金輻射的粒子，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月總有一天黑洞也是會(huì)蒸發(fā)掉，這樣就說(shuō)明了黑洞不僅不是熵減，反而是最大效率的熵增現(xiàn)象，用最大的吸引力吸收一切物質(zhì)，最終通過(guò)釋放霍金輻射蒸發(fā)掉從而達(dá)到熵增？

然而這個(gè)結(jié)果讓人心里很難受，想了這么多點(diǎn)子就是沒(méi)有一個(gè)能阻止熵增，難道就真的沒(méi)有什么能阻止熵增嗎？其實(shí)是有的，那就是一個(gè)叫龐加萊回歸的數(shù)學(xué)模型，顧名思義這個(gè)數(shù)學(xué)模型就是一個(gè)叫龐加萊的數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，早在19世紀(jì)末的時(shí)候他就發(fā)現(xiàn)了他經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的計(jì)算發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)局限在有限范圍內(nèi)的系統(tǒng)給定任何一個(gè)狀態(tài)只要經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間它就一定會(huì)回歸到足夠接近初始狀態(tài)的狀態(tài)。

還是拿那杯拿鐵的例子，一杯拿鐵我什么都不做，它自己能不能變回之前的一杯奶和一杯咖啡？龐加萊說(shuō)可以的，怎么變回去？就是等，只要你等的時(shí)間足夠長(zhǎng)就一定可以等到那一天，那么要等多久？剛剛說(shuō)了熱寂要等101000年后，那么這個(gè)龐加萊回歸大概要等多久？科學(xué)家們也算了，這就是個(gè)大概，實(shí)際情況可大可小難以計(jì)算的，但是無(wú)論誤差多大這個(gè)數(shù)也是大到驚人的，大概是10的10∧1200次方年那么久，注意是10的10∧1200次方年而不是10∧1200年那么久，這個(gè)數(shù)有多大就不說(shuō)了，為了把牛奶和咖啡從拿鐵中重新分開(kāi)要等那么久顯然不劃算，真那么想分開(kāi)的話還是重新倒一杯去吧。

所以說(shuō)熵增熵減也好，龐加萊回歸也好，都是距離我們太遙遠(yuǎn)的概念，真正的宇宙知識(shí)是不考慮區(qū)區(qū)人類的大腦能不能接受的，了解一些真正的科學(xué)知識(shí)有助于防止我們被低級(jí)神棍們忽悠，有助于自己建立更宏大的世界觀，雖然對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)沒(méi)有現(xiàn)實(shí)用處，但是卻可以讓你的內(nèi)心世界有更廣闊的延伸，通過(guò)對(duì)熵這個(gè)概念的了解我們可以知道我們討厭混亂，可是混亂是宇宙的首要目標(biāo)，我們喜歡秩序，可秩序卻只能進(jìn)一步加劇混亂。