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【腦洞系列】宇宙的熵一直在增加,並且不可逆轉,為什麼還會出現熵減的人類?

回望歷史不難發現, 「科學」是文明質變的關鍵, 它的出現令人類擺脫了蒙昧, 讓人類能夠更加透徹的觀察和研究世界, 同時也使得人類具備了改造世界的能力,

隨著對世界瞭解的不斷深入, 科學在引領人類前行的同時, 也揭開許多了隱藏在「一片祥和」背後的恐怖理論, 比如有著物理學第一定律之稱的「熵增定律」。

什麼是「熵(shāng)增定律」?

它最早起源於熱力學, 用於描述熱量從高溫物體轉移到低溫物體的不可逆過程。 而隨著統計物理、資訊理論等一系列理論的發展, 人們逐漸認識到「熵」的本質, 即孤立系統中的無序程度, 「熵」越高無序程度越高。

例如東西越用越舊、無人打掃的房間積灰越來越多、開水的溫度越來越低等等, 都是「熵增」的表現。

正如上文所說, 「熵」經過多年的發展演變, 已經從單純的熱力學參量, 變成了一個多領域參量, 有科學家就曾用「熵」來定義生命。

量子力學奠基人薛定諤曾寫過一本名為《生命是什麼》的書, 他在書中指出, 生命的本質是一個負熵系統, 也就是能夠通過攝入負熵來減少自身的熵增。

無數的結果表明, 薛定諤用「熵」來描述生命本質的觀點是正確的, 而這也就出現了一個耐人尋味的問題:宇宙是熵增的, 為什麼卻出現了熵減的生命呢?說明生命是某種特殊的存在, 還是說「熵增定律」從根本上就不正確呢?

其實從魯道夫·克勞修斯第一次提出「熵增定律」的時候, 這個明顯有悖於常識的理論便遭到了很多人的抨擊。

比如麥克斯韋創造了無所不能的「麥克斯韋妖」, 試圖反駁「熵增定律」不可逆的事實, 而物理學家奧斯特瓦爾德甚至直接將它斥為「罪惡的淵藪」, 可見熵增定律在當時的時代有多麼的不受待見。

如果說「麥克斯韋妖」的反駁只是「毛毛雨」的話, 那麼物理學家約翰·洛施密特(Johann Josef Loschmidt)提出的「可反演性悖論」絕對是直擊要害。

洛施密特指出, 如果對符合時間反演性規律的粒子進行反演, 那麼就會有熵增的情況出現, 這和熵只會增加的觀點嚴重相悖, 由此說明「熵增定律」是錯誤的。

什麼是時間反演性?

通俗易懂的說,就是反過來進行推演。舉個簡單例子,小明站在埃菲爾鐵塔上向下扔一個磚頭,該磚頭下落的速度會依照牛頓第二定律增加,倘若我們將小明扔磚頭這個過程「倒放」,就能夠看到磚頭的下落速度依照牛頓第二定律減少,直至完全回到小明手中時速度變成0。

在整個拋接的過程中,不論是正常來看還是倒放來看,牛頓力學都能夠完美詮釋,這就是動力學的「時間反演性」。

當然,不僅僅是經典力學體系下的動力學方程具有反演性,微觀世界中粒子的運動同樣也具有這樣的屬性。

單從理論上來看,只要微觀粒子具有反演性,就說明系統內的熵不但可以增加,同時也是能夠減少的。但這也僅僅只是理論上,因為現實生活中的情況可不是這樣。

就比如一個陶瓷工藝品從高處摔落,無論怎樣播放摔落過程,我們依舊可以很簡單的做出判斷,這明顯不符合時間反演性。

怎麼解釋「可反演性悖論」呢?

物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Eduard Boltzmann)表示,熵增不是一個單調的過程。在巨觀系統中,熵增加的概率要遠超減少的概率,就算系統已經處於熱平衡狀態,熵也會在最大值附近出現一定的漲落,漲落幅度越大,出現的概率越小。

玻爾茲曼的解釋可能有些晦澀,但道理其實非常簡單,我們完全可以用一個比喻詮釋這段拗口的話:給猩猩一個印表機,只要時間足夠長,它就能夠將三國演義打出來。當然,概率是非常低的,但我們不能因概率低就說這種可能不存在。

再比如說洶湧的江水,如果奔流的江水代表「熵增」,那因撞上礁石而出現的迴旋就是「熵減」。千萬別瞧不起這渺小的迴旋(熵減),因為它能夠創造出絢爛的世界。

總結一下雖然宇宙總體在熵增,但這不代表宇宙所有東西全部在熵增,局部出現熵減是宇宙規則所允許的。

就是因為局部熵減的存在,才能夠誕生正在負熵迴圈的地球,繼而誕生以負熵為食的低熵生命。如果僅以「熵」的角度探尋生命本質,物理學家們對生命的認識,可能要遠遠超過生物學家們。

對於這個答案是不是覺得有些顛覆認知呢?別急,後面還有更顛覆認知的東西。

基於上文提到的「漲落理論」,科學界還誕生了一個極為有趣的東西——玻爾茲曼大腦。它是由熵的漲落而出現的自我意識體。

單從理論上來看,宇宙中孕育「玻爾茲曼大腦」的概率要比孕育出複雜的人類高得多。換句話說,宇宙孕育出純粹以大腦為主體的生命形式的概率,要遠遠超過人類這種生命形式概率。

因此,另一種更細思極恐和顛覆認知的可能就出現了:我們有理由相信,在人類沒有觸碰過的宇宙空間中,可能存在著無數玻爾茲曼大腦,而它們此刻或許正默默地觀察著人類。

通俗易懂的說,就是反過來進行推演。舉個簡單例子,小明站在埃菲爾鐵塔上向下扔一個磚頭,該磚頭下落的速度會依照牛頓第二定律增加,倘若我們將小明扔磚頭這個過程「倒放」,就能夠看到磚頭的下落速度依照牛頓第二定律減少,直至完全回到小明手中時速度變成0。

在整個拋接的過程中,不論是正常來看還是倒放來看,牛頓力學都能夠完美詮釋,這就是動力學的「時間反演性」。

當然,不僅僅是經典力學體系下的動力學方程具有反演性,微觀世界中粒子的運動同樣也具有這樣的屬性。

單從理論上來看,只要微觀粒子具有反演性,就說明系統內的熵不但可以增加,同時也是能夠減少的。但這也僅僅只是理論上,因為現實生活中的情況可不是這樣。

就比如一個陶瓷工藝品從高處摔落,無論怎樣播放摔落過程,我們依舊可以很簡單的做出判斷,這明顯不符合時間反演性。

怎麼解釋「可反演性悖論」呢?

物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Eduard Boltzmann)表示,熵增不是一個單調的過程。在巨觀系統中,熵增加的概率要遠超減少的概率,就算系統已經處於熱平衡狀態,熵也會在最大值附近出現一定的漲落,漲落幅度越大,出現的概率越小。

玻爾茲曼的解釋可能有些晦澀,但道理其實非常簡單,我們完全可以用一個比喻詮釋這段拗口的話:給猩猩一個印表機,只要時間足夠長,它就能夠將三國演義打出來。當然,概率是非常低的,但我們不能因概率低就說這種可能不存在。

再比如說洶湧的江水,如果奔流的江水代表「熵增」,那因撞上礁石而出現的迴旋就是「熵減」。千萬別瞧不起這渺小的迴旋(熵減),因為它能夠創造出絢爛的世界。

總結一下雖然宇宙總體在熵增,但這不代表宇宙所有東西全部在熵增,局部出現熵減是宇宙規則所允許的。

就是因為局部熵減的存在,才能夠誕生正在負熵迴圈的地球,繼而誕生以負熵為食的低熵生命。如果僅以「熵」的角度探尋生命本質,物理學家們對生命的認識,可能要遠遠超過生物學家們。

對於這個答案是不是覺得有些顛覆認知呢?別急,後面還有更顛覆認知的東西。

基於上文提到的「漲落理論」,科學界還誕生了一個極為有趣的東西——玻爾茲曼大腦。它是由熵的漲落而出現的自我意識體。

單從理論上來看,宇宙中孕育「玻爾茲曼大腦」的概率要比孕育出複雜的人類高得多。換句話說,宇宙孕育出純粹以大腦為主體的生命形式的概率,要遠遠超過人類這種生命形式概率。

因此,另一種更細思極恐和顛覆認知的可能就出現了:我們有理由相信,在人類沒有觸碰過的宇宙空間中,可能存在著無數玻爾茲曼大腦,而它們此刻或許正默默地觀察著人類。

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