这篇读书笔记不只局限于读这本书，虽然这本书也涉及到熵和热力学第二定律的内容，但并不是其主要内容。这是一篇近期读的几本相关书籍的笔记，阅读时间有些长就不一一列举了。
自然界有一些（热）现象不同于力学现象，比如热水与凉水的混合形成温水，墨水滴在白水间会被均匀地稀释，自然界有趋于同化的现象，比如风化现象，（来自尘土）归于尘土现象等。描述这种不可逆的趋势定义了一个量：熵，其在孤立（不外部干涉）系统中总是向增大的方向演化，在日常生活中可以理解为均匀与离散的情况就是演化的方向，也叫熵增的过程。若是在一定条件下按一定规律形成的过程就是熵减的过程。比如植物腐朽后慢慢地以各种分子形式存在于世界当中便是一个熵增的过程，而通过无形的其中分子基本无规律的水浇灌长成有一定形状的植物，植物内的分子是需要按一定的规律排列的，这个过程就是熵减的过程。为什么说石油和煤炭的资源都会有枯竭的风险，虽然在燃烧的过程中没有物质和能量的损耗，也就是原来组成的那些分子消散后不会自动（自然）地再回归成石油或煤炭。当然，熵有严格的数学定义和物理定义，这种现象表明自然界永远不会无代价的得到熵减，若想获得熵减便会得不尝失，即自然界的整体趋势是熵增，最终的结果会便是世界达到没有任何运动的熵最大的情况。
用略微学术一点的话讲也就是说大自然有一种趋向于无序的倾向，现代自然科学常以冰冷的统计数字说明熵的作用。大千世界的物质形态万万千千，但绝大多数都是未加结构化的、随机的，甚至是混乱的，要做出改变大多数情况下都非常难。如果说现代起源故事中有个恶人，那无疑是熵了，他使整个宇宙呈现出由秩序走向混沌的趋势。熵绝对是一个放浪、阴险、无视他人苦痛的家伙，也无心和任何打交道的人含情脉脉。有熵的自然非常危险，最终会让所有人失落且无力反抗。任何一个现代起源故事的开篇都会得意扬扬说这个世界很奇妙，但结尾都会很沮丧的说熵会消融全部的结构和格局，所有的星体、星系和生物细胞。我们所知的整个世界……最终只有一个结局：死亡、瓦解、四分五裂。我们曾那样热爱过的一切秩序在历经磨难后也将灰飞烟灭。
科学上描述这种趋势的物理学定律为热力学第二定律，这是研究理想气体运动规律时的一个结论，虽然定律的物理学描述并不完全是上述这般，但可以得到这到结论。这个结论被拓展至很多应用领域，比如化学（化工）、混沌论、信息论、经济学、政治学、社会学等，从而得到广大学者的重视。此外这个结论的数学基础为概率论和统计学，所以促进了数学的研究与发展。重要的是因为导致自然界有最终的（死寂）归宿这样的很容易了解的结论而受到普通人群的关注。
迄今为止，关于熵的讨论汗牛充栋，但很多想法依然没有准确的答案。比如：熵的基石是气体是由分子（或原子）构成，这些粒子都遵从经典力学，而其整体效应呈现出热现象，并受控于热力学的宏观规律。其最惊奇的点就是无时间性的个体分子行为集合在一起时出现了时间性。具体的讲，经典力学的基本定律不包含任何的不可逆性。假设观测一个粒子系统在一秒钟内的运动和碰撞，若在某个时刻突然反转所有粒子的速度，那么粒子将会退回去，以相反的次序再次碰撞，系统将回到初始条件（但粒子都具有相反的速度，当然如果你愿意，可以再一次反转它们的速度）。在这个假设之下，熵如果增加了，当然也可以减少回去，不可逆性是不可能的。（在实际情况中，上速过程是不可能实现的，在理想实验中物理学家设计了麦克斯威小妖和拉普拉斯小妖，就是说若我们的信息足够多的话，我们可以逆熵而行动，比如一杯水的上半截的水分子全部向上运动，而后下半截的水分全部向下运动，就会造成水杯里的水宏观下看到突然分成两截，这在科普书籍中是最常见的趣味讨论）
还有熵无法解释相变，也就是水变成冰和水蒸汽。结冰的过程是一个相变，从形态上看，其运动的可能性是减少了，其熵应该是增加了，即物质内部的规律性增加了，但这是一个输出能量的过程，按数学方式（能量与温度的比值）这是一熵减的过程，同样的，水沸腾或变成汽是一个熵增的过程，可却是一个吸能的过程。
现在比较流行的解释是水结成冰是熵减过程。在孤立体系中，水结成冰的过程是一个熵减的过程，因为水的分子排列从无序的状态变为有序的冰晶结构，体系的混乱度减小。然而，实际的水结冰过程并不是在一个完全孤立的系统中进行的。水结冰时会放出热量，这些热量会传递给周围环境，导致环境的熵增加。因此，从整个系统的角度来看，包括冰水系统和周围环境的孤立系统，熵的总变化是增加的。（这种解释肯定是有问题的，如果是与周围环境联合起来看，那么周围环境的熵是如何变化的呀，总是要算一下的，不能这般不负责任的上下嘴唇一碰就妥了呀。其实一个孤立系统的水是不可能自发的变成冰的，而一定是要有一个热源，吸收走水中的热量，但这样一来，便是一个输出能量的过程，而熵减是需要能量输入的。这一点是如何解释呢？）此外，熵也可以从分子的角度来理解。在水结冰的过程中，水分子从自由移动的液态状态转变为在晶体中固定位置的固态状态。这种转变限制了分子的运动，使得系统的微观状态数减少，从而增加了系统的熵。（这个过程竟然出现了两种相反的解释，我更相信这种解释，因为在相变过程中的熵的解释，不应该还是从混乱程度去解释，而是用这种微观状态的多寡来解释更像是科学）。
还有一个比较重要的过程是生命过程，生命是一个按规矩排列的原子或分子，这是典型的建立结构的过程，生命也是一种自然现象，那自然界为何会产生熵增过程？主流的解释是说生命的熵减与“自然”的熵增（破坏结构）并不是在互相角力：生命消耗高品质能量用以维持和增强自身的有序排列，并将高熵的废热排入环境。熵增与演化的合作上演了数十亿年，最后得到了无比精美的粒子排列，其中包含生命和心灵，有的能产出第九交响曲以及许许多多还能体味到该作品的崇高的灵魂。粒子集合的有序排列会学习、思考、合成、互动、响应，会为采取的每一项行动印上“我”的个性，标上“我”的责任。意志的自由性与物理定律那寸步不让的控制没有矛盾，虽然感觉上好像很自由，说起来也好像能自主控制，但实际上完全受物理学定律支配的意志，因为物理定律没有被超越，也不能被超越。生命并不是什么超脱于粒子的东西，是粒子有序排列的结果，人类也是一种普通的生命，是粒子有序排列的结果。虽然现在的科学无法将意识神圣化，意识的具体存在方式物理学并没有办法具体描述。但这种结论还是存疑，逻辑上好像并不完整，因为还是一个“自由能”损耗的过程。但不论为什么会产生熵减生命的过程如何解释，总是说生命要努力活着，就要努力抗拒你的熵最大这个过程。而活着就是要不停的往里输入能量，也就是不管遇到什么事了，多多少少得吃一口，而减肥是一个极不物理的一个想法，丰腴才是生存的必要条件。
熵为什么应当存在不可逆性呢？我们周围的这个世界表出极强的不可逆性，但我们如何证明它非如此不可呢？许多表面似乎截然不同的问题，其实是一样的，这一个只不过是那一个的“伪装”。自然是一个熵增的过程。那么自然是什么？也就是有一只背后看不见的手。以恒定光速著名的狭义相对论曾被认为是难懂的学问，但热二律要比他难懂的多，不仅仅是难懂，而主要是其哲学性或者说逻辑的艰难。若说黑体辐射是一只会下金蛋的鸡，那热二律则是一只会下金蛋的凤凰。
当然有些问题是被人们误解了，以为是与熵相关的问题，但其实是出发点错了。比如有人说墨水滴在白水中是一个熵增的过程，那释油水的混在一起如何解释（依然分层），这是因为不同物质，而熵的前提是（基本）相同的物质；还有人问浑浊水澄清的过程也不是熵增的过程呀，道理也是相同的。类似的还有云彩形成、大气分层过程，说是一个（水）分子自然聚集的过程，因而应该是一个熵减的过程，为什么不是一个熵增的过程。类似的还有宇宙大爆炸后为什么不是均匀离散的“星云”的粥状太空，而会是现在星球的状态。这类问题多数都是没有考虑引力（重力）的条件。
但有一些讨论是错误的甚至可以说是错的离谱。比如杯子里热水的热量会扩散，但是杯子会解体么？把一块石头封闭于一容器内，石头会分解为弥漫空间的分子么？熵讨论的是相同的分子群体，认为分子的（热力学）特性是完全一样的，就似力学中讨论的是质点一样（在完全弹性碰撞习题中就有一个穿越的解），墨水在水中扩散是因为墨水分子与水分子的热力学特性基本是一致的，差别是在颜色上，因而扩散并至完全均匀的过程是符合条件的，而油与水是完全两个热力特性不一致的分子群，这样一来，用其来对抗扩散便是不正确的了，而石头，便是离谱两字的注脚了。
熵本质上度量了我们无知的程度，薛定锷猫也是这样，你不知道的时候，态是叠加的，而当你打开盒子的那一瞬间，你知道了，也就不必不知道了。薛定锷的猫是他用来嘲笑或者说反驳对方的理想实验，对方是谁不记得了。
在人类尺度（尺寸上米级大小重量上几十公斤视觉分辨率一个角分光谱分辨力0.2微米）上观察世界，一个物体都是由很多分子（原子）构成（这个理论建立的时候这个观点还没有得到证明，再一次说明哲人们之伟大）。而人类群居后，这个大量人类构成的系统就无法在人类尺度上观察了，而需要一个“巨人”来描述这个系统的“宏观”性质，我们可能称之谓“宏观经济学”（上亿人构成的休系）、考古学（动则上万年），地质学（动则几十亿年），甚至天文学（上百亿年），可以比拟一下一只蚂蚁想去理解一下你这个城市的规划甚至整个蚁群的大小，比如公里和公斤的概念。
再介绍几个与熵相关的八卦故事：
很多科幻作品中都会有热力学第二定律和熵的概念，国内就有《逆熵论》和《国王与抒情诗》。其中汤姆·斯托帕德的戏剧《阿卡狄亚》，英格兰乡间风景如画的庄园，十三岁的托马西娜跟家庭教师塞普蒂莫斯读书；老师教学生牛顿力学，她却说:“如果一切遵循牛顿力学，你岂不就能写出关于未来的所有方程了？”她意识到，搅散在布丁里的果酱不会再回到一起，热传播只能有一个方向，时间不可逆。这个早慧的女孩早早就洞悉了熵的秘密。与此同时她爱上了老师。十七岁生日前夜，她跟他跳华尔兹，蜡烛在燃烧，爱情在觉醒，可就是这关键时候，那老师逃了（那些懦弱没有信用的臭男人，哈）。那晚，她留着他为她点起的烛火，烛火变成大火，她死在大火中。“一切都将终止于室温”：女主死在了她预见的宇宙热寂中。
熵这个字是近代人造出来的，就像很多化学名词一样：火字旁说明和热有关系，商就是除法（因为熵的基本定义就是热量除以温度）。是当年一个叫普朗克的德国人来中国做讲座的时候，现场翻译新造的一个词儿（那时的学人真的厉害，看看后来造的那些词儿，“激光”“等离体”）。
最后纪念一下玻尔兹曼，这个最先研究并定义熵的科学家，他因为其关于熵的理论一致未得到承认而抑郁寡欢，年纪青青就自杀了：不忘提出重大问题并且对答案无所畏惧的人，这不是典型的民科吗。宇宙既然是这样的，诸多理论都有些可笑，但并不妨碍人们努力的步伐，这就是人，喜欢安逸又喜欢冒险，最好是安逸着冒险。可那样的话，如何从科学的一个个范式的孤岛上生长出一个新的孤岛范式？
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自王成科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-476855-1505575.html?mobile=1
收藏
