自古以來,一個終極問題始終縈繞在人類文明的思緒深處:為什么一切事物終將逝去?
最冷酷也最深刻的回答,來自于物理學(xué),就是傳說中的熵增定律,它不僅解釋了為何萬物終有一死,更以一種近乎宿命論的口吻,為我們揭示了宇宙的最終結(jié)局。
那么究竟什么是“熵”?
這個概念最早由19世紀(jì)的德國物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏固岢?,?dāng)時科學(xué)家們在研究蒸汽機(jī)效率時,發(fā)現(xiàn)了一個無法逾越的規(guī)律:熱量,總是自發(fā)地、單向地從高溫物體流向低溫物體,永不逆轉(zhuǎn)。 一杯熱水會自然變涼,將熱量散發(fā)到周圍的冷空氣中,但周圍的冷空氣永遠(yuǎn)不會自發(fā)地聚集熱量,去加熱一杯涼水。
于是克勞修斯創(chuàng)造了“熵”這個詞,用來描述這種能量轉(zhuǎn)化的“方向性”和“不可逆性”,他給出的經(jīng)典定義是:在一個孤立的、不與外界交換能量或物質(zhì)的系統(tǒng)中,熵永遠(yuǎn)不會減少,只會增加或保持不變,當(dāng)熵越大時,系統(tǒng)內(nèi)部可以被利用來做功的“有效能量”就越少,系統(tǒng)也就越趨向于一種“死寂”的平衡態(tài)。
然而真正讓“熵”的概念變得通俗易懂并深入人心的,是奧地利物理學(xué)家路德維?!げ柶澛?,他從微觀的統(tǒng)計學(xué)角度,賦予了熵一個全新的、更直觀的含義:熵,代表了一個孤立系統(tǒng)的“內(nèi)在混亂程度”。
比如將一滴墨水滴入一杯清水中,起初墨水高度集中,是一個有序的低熵狀態(tài)。很快墨水分子會自發(fā)地向四周擴(kuò)散,與水分子無規(guī)則地混合,直到整杯水變成均勻的淡色。這是一個熵急劇增加的過程,我們從未見過一杯淡墨水中的墨水分子,會自發(fā)地重新聚集成一滴。
如果我們將整個宇宙視為一個終極的孤立系統(tǒng),那么熵增定律就為我們的宇宙譜寫了一曲宏大而悲涼的終極安魂曲:“熱寂”。
它描繪了熵增定律在宇宙尺度上發(fā)揮到極致的景象:宇宙中最有序、能量最集中的天體,莫過于恒星,它們?nèi)缤粋€個低熵的“引擎”,通過核聚變將物質(zhì)的質(zhì)量能,轉(zhuǎn)化為光和熱,輻射到寒冷的宇宙空間。
這本身就是一個巨大的熵增過程,在遙遠(yuǎn)的未來所有恒星都將耗盡燃料,最終演化為白矮星、中子星或黑洞,宇宙將失去所有的“點(diǎn)光源”,進(jìn)入一個漫長的“星骸時代”。
在更長的時間尺度上,星系內(nèi)部的天體引力結(jié)構(gòu)也會逐漸瓦解,40億年后,我們的銀河系將與仙女座星系碰撞融合,這會短暫地創(chuàng)造出新的有序結(jié)構(gòu),但從更大的尺度和更長的時間看,這只是將兩個有序系統(tǒng)合并,并向著更混亂的狀態(tài)演化。
黑洞也并非永恒,根據(jù)史蒂芬·霍金的理論,黑洞會通過“霍金輻射”極其緩慢地向外輻射粒子,最終蒸發(fā)殆盡。這個過程,是將黑洞高度有序的質(zhì)量信息,徹底轉(zhuǎn)化為隨機(jī)、無序的熱輻射,是宇宙熵增的最后一步。
當(dāng)宇宙的熵達(dá)到最大值時,宇宙中所有有效的能量,已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化為無法再被利用的、均勻分布的低水平熱能,所有的物質(zhì),都將衰變成最基本的粒子,均勻地散布在廣袤無垠、不斷膨脹的空間中。宇宙的每一個角落,溫度都將達(dá)到絕對的、均勻的熱平衡。
如果整個宇宙的鐵律是走向混亂和死亡,那么生命又是如何可能存在的呢?一個單細(xì)胞生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其復(fù)雜和有序程度,遠(yuǎn)超任何星系,這難道不是公然違背了熵增定律嗎?
奧地利物理學(xué)家,量子力學(xué)奠基人之一的埃爾溫·薛定諤,在其著作《生命是什么?》中,給出了一個天才般的解答,他指出,生命,以“負(fù)熵”為食。
生命系統(tǒng)并非孤立系統(tǒng),而是一個開放系統(tǒng),它時刻與外界環(huán)境交換著物質(zhì)和能量,我們通過吃飯、喝水、呼吸,從環(huán)境中攝取高度有序的、低熵的物質(zhì),并通過新陳代謝,將其分解,獲取能量來維持我們自身高度有序的生命結(jié)構(gòu),與此同時,我們將無序的、高熵的廢物排泄到環(huán)境中。
這個過程的凈結(jié)果是:生命體內(nèi)部的熵減少了,但其所在環(huán)境的熵,卻以更快的速度增加了。,整個“生命體+環(huán)境”的總熵,依然是嚴(yán)格遵守熵增定律的。
你待過的房間會越來越亂,城市的小區(qū)垃圾會越來越多,自然界中的任何事物,若沒有外力干預(yù),都會自發(fā)地變得混亂和無序,而生命就是那個“外力”,生命通過不斷地從環(huán)境中抽取“秩序”,來對抗自身走向混亂的內(nèi)在趨勢,并以加速環(huán)境混亂為代價,維持自身的生存。
因此“負(fù)熵”是生命體賴以生存的東西,我們的每一次呼吸,每一次心跳,都是一場對抗宇宙終極定律的、微小而悲壯的戰(zhàn)爭。
我們無法阻止太陽在50億年后膨脹吞噬地球,也無法阻止宇宙最終走向熱寂,但我們可以在這有限的時間和空間里,燃燒自己,釋放光和熱,用我們的智慧和情感,在這片注定要冷卻的宇宙中,創(chuàng)造出最絢爛的火花。
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