你是否曾为这样的场面驻足？
无论是电影也好，魔术也罢，这些在现实生活中原本不可能出现的场景，总是能第一时间抓住我们的眼球。
所有的这些“不可能”概括起来说就是：违反了自然界普遍的基本定律。
电影中“奇异博士”不借助任何外力把大量能量汇聚到双手的行为，在物理学的概括解释就叫做——熵减。
「熵（shāng）」是一个抽象的通过运算推导出来的量。其物理意义代表系统的无序程度。
比如：蜡烛燃烧、冰块融化、酒精挥发、食物腐烂等都是熵增加的过程。而与之相反的过程是熵减。
「熵」的概念起源于物理学，在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等方面也有应用，对人类甚至宇宙存在的意义、最终的结局方面也有推论。
以下的文章会避开「统计力学」中那些晦涩的数字、公式，但在一定程度上还是比较烧脑。
如果看完还是感觉一头雾水，那么首先是这篇文章的错，然后是「熵」的错，不要责怪自己。
毕竟，「熵」是个很难理解的概念，脑子里有「熵」这个概念并且能略微理解的人，已经跑赢80%的人类了。
各位小伙伴扶稳坐好，我们要发车喽~
19世纪，科学家们通过热力学的研究得出了「热力学第一定律」即「能量守恒定律(energy conservation law)」指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变。
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。
能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，但是科学家们发现，能量总是做不到100%的转换，什么意思？
火力发电的过程是这样的：
燃料化学能→ 蒸汽热能→机械能→ 电能
简单说就是通过燃料的燃烧产生热能来加热水，然后再由水蒸气推动发电机来发电。
在这个过程中，热能转换成电能的效率只能达到39%左右。
觉得效率低？家用车消耗燃料向前行驶，这个过程的能量转换效率不到30%（非发动机效率）。
科学家们发现，有相当一部分的能量在转换的过程中被耗散掉了（变成了震动、噪音、热辐射等等），这部分在转换过程中耗散的、无法再利用的能量就是「熵」。
基于这个概念，科学家们又得出了「热力学第二定律」：
① 热总是从高温物体传到低温物体。 在不做功的情况下，热不可能自发地从低温物体传到高温物体。
②任何热机不可能将所接受的热量全部转变为功。即一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
「热力学第二定律」可以说是热力学中最具生机和活力的部分，它有很多表述方法，这是和其他物理定律不太相同的地方。
「热力学第二定律」的内涵非常丰富，每种表述都反映了它的一个侧面，包括：克劳修斯表述、开尔文表述、普朗克表述、黑首保劳-肯南表述、卡拉西奥多里原理。
这些不同的侧面是相互联系的，由一个可以证明另一个，这里就不一一展开讲了。
在这些表述之中，比较经典就是克劳修斯表述——「熵增加原理」：
「熵增加原理」简单点来说就是：孤立系统的熵值永远是增加的(更精确的说，是永不减少)。
我们来花些时间大概搞懂这句话：
1、孤立系统
在热力学之中，与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为「封闭系统」，比如：密封的不保温的不锈钢水杯。
在热力学之中，与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统称为「孤立系统」，比如：密封的绝对保温的不锈钢水杯（理论上存在）
看到这里，我想请你停下来，花一分钟思考一下，整个「地球生态圈」是一个「孤立系统」吗？答案之后会揭晓。
2、「熵值」永远是增加的，永不减少
我们之前说过，在转换过程中耗散的、无法再利用的能量就是「熵」，又根据「能量守恒定律」这些能量并没有消失，只是由“可以利用的能量”变成了“无法利用能量”。
从“可以利用的能量”到“无法利用的能量”，其实就是能量的分布由“聚在一起”变成了“平均分布”。
只有“聚在一起”的能量才是能够被利用的，而“平均分布”的能量则不能被利用，这是什么意思？
下图是一张水坝的照片：
我们把水坝暂时看作一个「孤立系统」（外界的物质与能量无法影响到它）。
这时水坝一侧的水位比另一侧要高，水的重力势能“聚在一起”，当我们打开水坝，水就会倾泻而出，倾泻而出的水可以带动发电机发电。
这时的能量转换就是：（水）重力势能→ 机械能→ 电能。
那么如果说水坝两侧的水位是相等的话，水就“平均分布”了，不会流动，我们也就无法利用水来发电。
例子中的“聚在一起”的能量，是一种「有序的能量」（熵值小），它会朝一个方向运动，是可以被利用的。
而“平均分布”的能量，是一种「无序的能量」（熵值大），它不会自发的运动，不可以被利用。
我们回到「熵增加原理」，「熵值」增加的意思就是——无法利用的能量会越来越多。
综上所述，「熵增加原理」的意思是：在没有外界影响的情况下（孤立系统）无法利用的能量会越来越多，而且这个过程无法自发逆转。
霍金的解释是「熵减」（逆转）来自于系统外部，不可能来自内部。所以整个孤立系统的能量会慢慢变成“你有我有全都有”的平衡状态。
有些聪明的小伙伴会想到，如果我们将水坝中的水用水泵抽到一侧，强行制造「有序的能量」加以利用不就可以了吗？
没错，这样确实是制造了「有序的能量」，但我们在进行“将水坝中的水用水泵抽到一侧”这个过程中还是会消耗、耗散能量，这还是在制造「无序的能量」（熵增）。
所以，我们可以局部制造「有序的能量」（熵减），但只是将「无序的能量」（熵增）转移到其他地方，整个系统的「熵值」还是在增加。
「熵增加原理」是一个令人绝望的规律，它预示着人类、地球乃至宇宙的最终命运就是走向「热寂」——一种完全无序的、没有生命与意识存在的状态，宇宙的死亡。
「热寂说」是「熵增加原理」对宇宙最终结局的推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。
由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。
「热寂说」将整个宇宙当成一个孤立系统，认为宇宙的熵会趋向极大，最终达到热平衡状态，即宇宙每个地方的温度都相等。
哲学家伯特兰·阿瑟·威廉·罗素(Bertrand Arthur William Russell)发出这样悲观的感叹：
"一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。
人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中--所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。
唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托"。
即使是像控制论之父维纳(N.Wiener)这样的科学巨匠，最终也"控制"不住自己沮丧的感情，几乎是在绝望中悲叹：
"我们迟早会死去，很有可能，当世界走向统一的庞大的热平衡状态，那里不再发生任何真正新的东西时，我们周围的宇宙将由于热寂而死去，什么也没有留下……"
但是，「热寂说」存在着一个很大的疑问：
①、「熵增加原理」是基于有限空间得出的结论，这样的结论是否适用于整个宇宙？
②、「熵增加原理」成立的先决条件是「孤立系统」，那么如何证明整个宇宙是一个「孤立系统」？
我们回到前面文中留下的问题：整个「地球生态圈」是一个「孤立系统」吗？
答案是否定的，「太阳」对「地球生态圈」的影响非常大，「太阳」一直都在向「地球」传递「低熵」能量（阳光）。
20世纪60年代，「大爆炸理论」越来越受到主流天体物理学的承认，随着陆续发现的证据以及支持（哈勃红移、氦元素丰度、3K微波背景辐射……），「热寂说」渐渐退出主流。
随着「大爆炸理论」研究的深入，科学家发现宇宙很可能就这么一直膨胀下去，而且膨胀的速度越来越快。
这样的结局其实和「热寂说」很类似，科学家们称之为「冷寂」，不管怎么样，为300亿年之后的事情担心，现在还确实早了点。
我们再说回「熵」，「熵」的概念在其他领域的引申有：信息熵（香农熵）、生物熵、熵病等等，这些概念这里就不展开说了，有兴趣的小伙伴可以自己去了解。
最后，总结来说，「熵」在不同的领域会有不同的解释，但其本质都是一个系统“内在的无序（混乱）程度”。
有兴趣深入了解「熵」的小朋友，可以从「统计力学」、「信息论」方面入手，越深入了解就会越觉得“一切都是天注定”。
哎！我脑子里突然蹦出一句话：
“天之道损有余而补不足——《老子》”
既然前面都说到了「热力学第一、第二定律」，咱们就来简单说说永动机吧（说机不说吧，文明你我他）。（热力学还有第三定律，讲的是「熵增」为零的状态，这里就不讨论了）
第一类永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断的产生能量，违反了「热力学第一定律」（能量守恒定律）。
第二类永动机：不消耗任何能量,吸收周围的能量并输出使用，违反了「热力学第二定律」（熵增加原理），就像文章开头的动图，“神奇博士”徒手将能量聚集在双手上并输出。
本着飞黄腾达、扬名立万的美好愿望，永动机的发明者前赴后继，但都一一失败。
达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想。
1617 年到1903 年之间，英国专利局就收到约600 项永动机的专利申请
1775年，法国科学院决定不再刊载有关永动机的通讯，并宣布"本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计"。
1917 年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。
这倒不是说政府故意打压“永动机”的民间研究，因为一台机械是否能“永动”问题的关键，根本不在机械设计方面，而是在物理定律。
END
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