几百年前,人类走上了科学发展的道路,科学技术将人类文明引向了一个新的方向,使我们对世界的认识越来越深刻。上个世纪中叶,我们离开了地球,开始重新认识宇宙。
科学技术要想快速发展,需要科学理论的指导,而这些伟大的科学理论其实是随着宇宙的诞生而出现的。然而,它们都隐藏在宇宙中,科学家需要不断探索和发现它们。
我们发现,我们探索的科学理论越多,我们对万物和宇宙的了解就越多。无论是牛顿万有引力定律还是爱因斯坦相对论,我们对物质世界和宇宙都有了新的认识。
随着人类科学技术的不断进步,越来越多的科学理论被发现。这些科学理论实现了人类文明的快速进步,使我们对人类的未来越来越充满希望。但是,当一个物理理论被发现的时候,就让人绝望了。
这个科学理论就是热力学第二定律:熵增定律。相信很多朋友都听过这种颠覆人们认知的理论。那么熵增定律是什么呢?在热力学中,通常用来描述一个不可逆的过程,即热量从高温物体向低温物体运动。
但在正常情况下,常用来描述孤立系统的混沌(无序)程度。熵值越大,混沌程度越高。比如我们穿的衣服会越来越旧,房子会越来越旧。这些都是熵增和不可逆的过程。
通过熵增定律,我们认识到万物的终结,认识到天体灭绝也是熵增的新技术。更重要的是,通过熵增定律,我们似乎看到了宇宙的最终结局,也就是灭绝。熵增是一个正的不可逆过程,我们不必怀疑它的真实性。
所以我们常说有正有负,宇宙中有熵增。是否存在负熵?宇宙目前没有负熵,但一切都不是绝对的。如果宇宙中有什么东西可能是负熵,很多人会把它当成生命。
是的,生命是宇宙中最神秘的东西,没有人知道生命是如何起源的。生活的本质可以用多种方式来描述。比如生命的本质就是基因的进化。著名物理学家薛定谔在《生命是什么》一书中指出,生命天生具有负熵,其本质是一个负熵系统,通过摄入环境中的负熵,可以使自身与外界环境失去热平衡。
是的,生命系统是一个负熵系统,其他事物的熵值会从出生的那一天开始增加,从最初的有序到无序,最后到死亡。但是生活就不一样了,虽然在很多人眼里,生活也有很长的寿命,这也应该是熵增加的结果。但是不要忘记,寿命是可以改变的。从古至今,人类的寿命一直在延长。
而且人类可以通过吸收外界能量让自己的生命延续下去,让虚弱的身体重新健康起来。这个过程就是熵减的过程。也就是说,从人类诞生的那一天起,熵就会出现,同时熵也会不断增加,但这种增加是可逆的。
一个人生病,身体会迅速衰弱,其实是熵增的结果,身体会越来越混乱。但是随着治疗的进展,通过外界的能量和技术,一个人的身体会慢慢变好,最终恢复到健康的状态。其实这是一个熵减的过程。熵值已经大大增加,通过外部能量摄入不断减少,这与天空相反。
由此我们也可以看出,生命是宇宙本身中一个非常特殊的存在。人类没什么强大的,但地球上有一种生命是可以不断焕发青春的。令人惊异的是,这种生命的熵先增加,然后又回到原来,重新开始。
面对面,这种熵减过程主要体现在有生命的东西上,还没有出现在无生命的物质上。当然,对于一个系统来说,在整体熵增的过程中,可能会有一些小的熵减过程,但这些小的熵减事件并不能影响整个系统的熵增趋势,只能延续土壤水分增加的过程。
看到这里,很多人可能会越来越困惑:熵增定律是一个不可逆的过程,为什么人类会有熵减?这是怎么回事?事实上,热力学的创始人和著名的物理学家路德维希·玻尔兹曼对熵增定律最有发言权。他指出熵增不是一个纯粹的增加过程,在一个宏观系统中熵增的概率远大于熵减的概率。即使系统已经达到热平衡,熵也会在最大值附近波动。
这个怎么理解?我们可以举一个简单的例子来说明,例如,滚滚河水向东流。在长江向东流的大系统中,河流向东流是一个熵增的过程,但在整个过程中,河流会遇到各种各样的石头。当河流遇到石头时,会使水流旋转,形成向其他方向短期流动的趋势。此时熵值降低,导致熵值降低。
然而,这些弱熵的减少并不能改变整个河流向东流动的趋势。人类的寿命也是如此。从人类诞生的那一刻起,整体趋势就是熵增,这就是人类生老病死的原因。但在生死过程中,会有很多小系统,这些小系统的熵可能会降低。比如我们生病了,熵值继续增加。后来经过医疗,身体恢复,熵值降低。
生命之所以是负熵系统,并不是说生命的增量总是处于负状态,而是说生命可以一直保持低熵状态。之所以能保持这种状态,是因为我们可以通过摄取外界的能量来大幅增加熵值,有时候还可以大幅降低熵值。
但是人体的熵系统也是一个不可逆的过程。从宏观系统来看,熵在增加,最终结果是死亡。但是,大系统中有无数个小系统。只要我们能让这些小系统不断降低熵,我们就能极大地继续熵的增加,极大地延长寿命。
这种特殊的生物减熵现象在宇宙中也是存在的,但它们只是改变了一个很小的趋势,而宇宙大系统的熵却一直在增加,也就是说宇宙最终毁灭的结局不会改变。熵减主要体现在生命体上,说明生命体的确是宇宙中最特殊最神秘的东西。