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为何房间乱了不用收拾?最科学的解释
www.creaders.net | 2019-03-10 15:38:05  北青网 | 0条评论 | 查看/发表评论
  

有的事情是具有普遍的确定性的,比如死亡、消费、热力学第二定律。关于前两者的文章可谓汗牛充栋,但这一篇文章是关于第三个的。

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1824年,法国物理学家卡诺在思考蒸汽机工作原理时,首次提出了这一定律。直到今天,热力学第二定律仍然巍然屹立,升华成一个不可改变的事实。无论多么努力,你都无法摆脱它那无可动摇的结论的控制:在孤立系统中,熵永远不会减少。

那么,熵是什么呢?它为什么会变?

1. 空气分子有多少种排列?

如果给你一盒空气,让你测量它的一些性质,你的第一反应或许是拿出尺子和温度计,记录一些听起来科学的重要数字,比如体积、温度或压强。这样的第一反应是合理的,因为你知道像“空气”这样的东西实际上是会四处乱窜的,它们是杂乱的微观分子的集合。或许你的脑袋中曾经闪过一个念头——你要记录每一个分子行经的所有位置和速度,但很快你就会将这些想法抛诸脑后,因为那太过繁琐和愚蠢。

毕竟,像温度、压强和体积这类数字会提供所有你真正关心的信息。它们能告诉你与盒子中的空气有关的一切,无论你是要打开盒子、压缩盒子还是让盒子膨胀。这些空气分子如何排列并不重要。

这正是关键所在。盒子里的空气分子有很多不同的排列方法,它们都能导致完全相同的压强、温度和体积。你会注意到其中两个粒子互换了位置吗?你能捕捉到有几个分子翻了个面吗?不,你不能。压强、温度和体积都可以保持不变。

这就是熵的作用。那些无法看见的东西(微小的空气颗粒)在不同排列下,仍能导致完全相同的可观测的测量(比如压强),熵的概念所描述的正是这种不同排列方式的数量。

2. 随着时间变化

但是,为什么这个数字永远不会减少呢?为了探索这个问题,我们先来“打扫”一下你的房间吧。

想象一下你终于把所有事情都安排好了,准备清空周末的日程安排:早起,喝上一杯咖啡之后开始做假期以来已被你拖延已久的事情——打扫房间,从上到下、从里到外都变得干净整洁。最终,万物皆得其位,完美!

那种柏拉图式的理想房间又能维持多久呢?用不了多久你就会清醒地意识到,你周而复始的所有努力都是徒劳无益的。

但是,为什么你的房间就不能在未来几年都保持整洁呢?那是因为,只要一件东西变了——只需要一件——它就不再干净了。床上的脏袜子意味着混乱,一个枕套边皱了意味着混乱,床头柜上还有一盒零食饼干?我不会嘲笑你,但那仍然意味着混乱。

在这个例子中,房间里的物件只有遵循某些特定的排列才会导致度量结果为“干净”,但是还有数百万种其他的排列能导致度量结果为“混乱”。如果龙卷风袭击了你刚打扫过的房间,它保持干净的可能性有多大?零吗?并不是。

存在一种纯偶然的几率——龙卷风会卷起你房间里的每一件东西,然后将它放回原位。但这个微小的几率大约等于你买中了最最厉害的头奖彩票。所以还是面对现实吧,在这种几率里你不会是赢家的。在龙卷风过后,你发现房间混乱不堪的概率要远远大得多,这仅仅是因为,让一个房间变得混乱的方法实在太多了。

3. 无比苛刻的熵

同样,你也无法阻止房间里的空气分子突然决定集体朝同一个方向前进,拥挤到角落里,让你在真空中窒息。说真的,没有什么粒子或分子间相互作用的规律能阻止出现这样的情况。

但是,空气分子的运动由无数的随机碰撞和运动控制着,这是一场永不停歇的分子运动。本质上,这无数的运动总能让空气处于杂乱无章的状态:均匀地散布在整个房间。而这都是因为空气散布于整个房间的方式比拥挤到某个角落里的方式要多得多。

最终,系统永远不会从无序走向有序(除非想办法给系统中增加能量,但这就是另一个故事了),因为绝对压倒性的统计规律会阻止这样的事情发生。无序状态和有序状态的概率不是10比1或3720比1,而更多的是103⁶(为了更好地衡量概率,还可以再加几个零)比1这种数量级。

对于那个曾经整洁的房间说来,情况就是,让房间变得干净的方式很少,而让房间变得混乱的方式却数不胜数。不同的“混乱”的排列方式(比如把脏袜子放在床上还是放在梳妆台上)能导致对温度或压强的相同测量结果。熵表示的是,在能够获得相同测量值的情况下,可以用多少种不同的方式重新排列混乱的房间。

对于任由自己的混沌装置支配的系统,它永远会寻求更高的熵,这仅仅是因为相比于制造整洁,制造混乱方法要多得多——这就是热力学第二定律。

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