熵增定律:为什么会被称为令人绝望的物理定律?
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发布时间：2022-04-24 15:52
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时间：2023-10-20 16:40
通过结合实验和数学，伽利略开创了科学研究的先河，从此物理学走上了快速发展的道路。此后，牛顿发扬光大，建立了牛顿力学，成为经典物理学的开创者，他也被冠以人类史上最伟大的物理学家。
在牛顿之后，又有麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、费曼、薛定谔等一众物理学家，发现了一系列新的物理学定律，极大改变了人类对于世界的认识。不仅如此，人类利用物理学定律发展出了现代科技文明，彻底革新了人类的生活。
然而，物理学定律在造福人类的同时，有一条物理定律却给人类带了绝望，以致于有的物理学家发出感叹，宁愿不要发现它。这条定律预示着宇宙必然会走向不可逆转的毁灭，它就是熵增定律。那么，熵增定律是怎么来的呢？
这还要从热力学的发展说起。大量的实验表明，能量是守恒的，它们不会凭空出现和消失，只会在不同形式之间转换，这就是能量守恒定律，也称热力学第一定律。这一定律的诞生，让不消耗能量却能做功的永动机化为泡影。
此后，又有人设想建造另一种永动机，这种机器可以从自然界中吸收热量，然后以此来驱动机器做功，这并不违背能量守恒定律。然而，无论怎么尝试，这类永动机也是没有造出来，原因在于还有未知的热力学定律在起作用。
1824年，物理学家卡诺在研究热机时发现，热量并不能被百分百转换为能量，其热效率正相关于高温和低温热源的温差。为了定量描述热机的能量耗散，克劳修斯在1865年引入了一个常数——熵。
熵可以表征无用能量的多少，无用能量越多，熵越大；有用能量越多，熵越小。热机在运行过程中，会产生无用的热量，例如，机械结构之间相互摩擦所产生的热量，这些热量不能用于做功，系统的熵会变得越来越大。
由此可见，能量的转化和传递是有方向性的，低温热源的热量不会自发地传递给高温热源，热量不能自发并且全部转化为功。因此，熵的值只会变得越来越大，并且是不可逆转的，这就是熵增定律，亦称热力学第二定律，它表明第二类永动机也是不可能实现的。
1877年，物理学家玻尔兹曼进一步扩展了熵的概念。他发现，系统的熵与其微观状态数量有关。倘若系统的微观状态数量越多，意味着系统越混乱，表明熵值越大。一个系统的有序度只会自发地变得越来越低，熵会逐渐增加。
那么，为什么熵增定律十分特殊？为什么它可以预示宇宙的最终结局呢？
对于其他物理定律，它们都是关于时间对称的，无论是时间正向还是逆向流逝，都没有任何区别，例如，一颗小球从空中自由落体到达地面，如果从地面以小球的落地末速度，把小球竖直向上扔出，该小球又会到达原有的高度。
然而，熵增定律却非常特殊，熵只能增大，水和乙醇混合后不会自发分离，玻璃打碎后也无法自动复原。熵增定律表明，时间的流逝方向是单一的，只能向前流逝，这是牛顿和爱因斯坦的物理学所无法解释的。不仅如此，这条定律还设定好了宇宙的结局。
宇宙诞生于138亿年前的低熵状态，随着宇宙的演化，无序度越来越高，有用能量被逐渐消耗掉，宇宙的熵在不断增大。虽然宇宙中形成了很多有序结构和低熵体，例如，恒星、星系和包括人类在内的地球生命，但这些都需要消耗宇宙的有用能来维持低熵状态，所以总体上还是会导致整个宇宙的熵变大。
因此，宇宙之形成以来，就注定朝着熵最大的方向在演化。最终，行星会脱离原有的轨道并解体，原子四分五裂，质子发生衰变，黑洞蒸发殆尽，只留下光子以及轻子。
宇宙迟早会迎来无序度最高、有用能耗尽的最大熵状态，这就是热寂的结局，预计时间是在10^1000年以后。当然，这个时间对于渺小的人类而言非常漫长，我们还有足够的时间来保持低熵的状态。
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时间：2023-10-20 16:41
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时间：2023-10-20 16:42
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