心平气和洛冰河

“以熵原理为核心的热力学第二定律,历史上曾被视为堕落的渊薮，整个社会乃至人类都曾为之感到绝望。”

热力学第二定律／熵／熵增定律↓

一、热力学第二定律

说到第二，我们先看一下熟悉的热力学第一定律

根据热力学第一定律，能量是守恒的，可以互相转化，而不会凭空消失。

热力学第二定律，热力学基本定律之一，德国人克劳修斯（Rudolph Clausius）和英国人开尔文（Lord Kelvin）在法国工程师萨迪·卡诺提出的卡诺定理的基础上，于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。其表述分别为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。

脑袋发懵是嘛 ๑˙ー˙๑ 简单说就是，虽然能量可以转化，但是无法100%利用。在转化过程中，总是有一部分能量会被浪费掉。比如，火药含有的能量在枪械中转化成推动子弹飞行的能量，但随之会产生大量的热能和废气。即便科技再发达，也无法把被浪费的能量减小至零。所以无论哪种永动机也是无法实现的。写成公式更加显而易见

能量的总和 = 有用能量 + 无用能量

『参考有用功、无用功的概念』

"有用能量"指的是，可以被加以利用的能量；"无用能量"指的是，无法再利用的能量，就是熵。

即能量都会由有序的状态到混乱无序

二、熵

熵，热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S表示，其物理意义是体系混乱程度的度量。

克劳修斯 于1854年提出熵(entropie)的概念, 『我国物理学家胡刚复教授于1923年根据热温商之意首次把entropie译为“熵”。』

熵的概念一经提出，整个学术界都陷入了一场大思考。热力学、天文物理学整个物理学界乃至政治学、社会学等社会科学领域也深陷其中

爱因斯坦曾把熵理论在科学中的地位概述为“熵理论对于整个科学来说是“第一法则”；尔斯·珀西·斯诺(C.P.Snow)在其《两种文化与科学革命》一书中写道: “一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕”。

想到宇宙的能量总和是一个常量（所以这里把宇宙当成是一个“有限且无界的孤立、封闭系统”当前提来说的）而每一次能量转化，必然有一部分有序的能量变成混乱无序的存在（即熵），因此不难推论，有序形式的能量越来越少，混乱状态的能量越来越多。

直到有一天，所有的能量都变成无序状态的存在形式，那时将不再有任何能量被转化，这一学说就叫宇宙的"热寂说"（Heat Death）。所以，热力学第二定律的一个重要推论就是：熵永远在增加……

热力学第二定律的宇宙学推论“热寂说”，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，也成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。

三、熵增定律

克劳修斯熵的提出，第二热力学的表述又有：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，熵(一个孤立系统的总混乱度）不会减小。

热力学第二定律只是定义了"熵"，没有解释"熵"的产生原因：为什么总是有一部分能量无法再利用？

1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）对"熵"做出了令人信服的解释。

他认为，任何粒子的常态都是随机运动，也就是"无序运动"，如果让粒子呈现"有序化"，必须耗费能量。所以，能量可以被看作"有序化"的一种度量。热力学第二定律实际上是说，当一种形式的"有序化"转化为另一种形式的"有序化"，必然伴随产生某种"无序化"。一旦能量以"无序化"的形式存在，就无法再利用了，除非从外界输入新的能量，让无序状态重新变成有序状态。如果没有外部能量输入，封闭系统趋向越来越混乱（熵越来越大）。即没有外部能量输入，封闭系统趋向越来越混乱（熵越来越大）。

就连人类心理、思维、价值观上的混乱，也可以归结为熵的增加。

比如地球上人类利用能源：以目前的技术，大规模使用太阳能还不现实；化石能源、核能、水能和风能，将是未来的主要能源，但是都有各自的弊端（核废料、水坝、高昂的设备成本等等）。更要命的是，根据热力学第二定律，使用系统内的能源，必然增加系统内的熵。

这意味着，如果人类单纯依靠地球自身的能源，地球必将变成一个越来越混乱的地方。

“大爆炸学说符合热力学第一和第二定律，它声称宇宙是以有序的状态开始，并从此不断地向无序的状态发展。宇宙的熵最终必然达到最大值，热寂必然会到来，那时所有的有用能量已被消耗一空，宇宙中再也不会有任何变化发生。宇宙的热寂相当于永恒的宁静”。
——《熵：一种新的世界观》

宇宙大爆炸后，整个宇宙开始从有序走向无序，从秩序走向混乱…而人类社会的发展从无序走向有序，从混乱走向秩序。

四、“热寂”与“冷寂”

——热寂说与大爆炸

长期以来，对“热寂说”疑难的回答，无论从科学上看还是从哲学上看似乎都未能切中要害，缺乏说服力，因而一再爆发争论。然而20世纪六、七十年代以后，自从“大爆炸” 宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来，对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向，这一时期成了“热寂说”争论史上一个划时代的转折点。

热寂:

当有一天，宇宙的熵增加到一种程度，宇宙内的物质变的极其无序，而再也没有可用的有序能量改变无序状态时，宇宙所有物质将再也不可控制，宇宙将走向灭亡，即所谓的热寂。

熵增是一个不可逆的过程，对于一个孤立系统来说，熵只能越来越大，熵本来就是表征混乱度的量，这就意味着系统只会走向最大的混乱度，直至灭亡。

要是把人类文明看做一个系统呢？那么人类就会越来越堕落，最后走向灭亡。要是系统大到整个宇宙呢？那就是“热寂说”，所以当时它被称为名声最坏的定律，被认为是罪恶的渊薮。

它自提出之日便不断受到科学界的各种讨论和质疑，大概是人类不甘心自己的宿命，想从科学上得到反驳的论证。
虽然至今为止也有不少研究和理论在某种程度上想反驳热寂说，但仍不能证明它的错误。

曾几何时，z国是禁止人们研究和大爆炸有关的宇宙论的。因为热寂说违反了恩格斯的gc主义所描述的大同世界。

它以极度冷酷的物理公式敲定了人类乃至生命、宇宙无可避免的走向灭亡。

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更新:

(关于热寂说的几个观点)

简单来说，推导出的熵增加原理指的就是，孤立系统的熵永不减少。因此，热寂结论是基于“宇宙是个孤立、封闭系统”这样的宇宙观的。
后世一部分人就是从这个角度来攻击热寂说的——世界是无限的，不是封闭的，因而不能把热力学第二定律推广到全宇宙。

宇宙是不是孤立且封闭的系统呢？这不仅是一个自然科学问题，还是一个哲学问题。、
这里把“宇宙是一个有限且无界的孤立、封闭系统”当真前提来写。


假如宇宙是孤立且封闭的系统的话，热二定律一定适用于宇宙。（请不要随随便便说热力学第二定律这种物理基本定律是错误的）但热寂说还还是得斟酌斟酌。

时间有限，各个观点一个个来列吧。
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1.涨落
“涨落说”是由玻尔兹曼（L.E.Boltzman）于1872年提出的。这使得其成为19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人。他从统计角度来解释这个问题：总会有宇宙的某些局部因为随机的涨落出现熵减小的情况。尽管在整个宇宙来看，熵是增加的，但随机的涨落永远会存在，于是一直都不会迎来完全的热寂。而人类等生命这样高度有序的存在也在“因为随机涨落而出现的熵减小”的区域变得可能。

热寂说维护者对于玻尔兹曼的反驳是，随机涨落的效果要大到可以产生生命这样的高度有序的可能性几乎是不存在。但这样的反驳显然是苍白无力的，“人择原理”就可以回答这个诘难。

用与费恩曼经典的“车牌号码比喻”的类似例子。我今天晚上被蚊子咬了，但是我怎么可能被这只蚊子咬呢？这个世界的蚊子多的不计其数，而我恰好被这只蚊子咬的可能性几乎为零啊（假如有一千亿只蚊子，假如我已经被蚊子咬了，那么我恰好被这只蚊子咬的概率是一千亿分之一）。上述诘难相当于就是在说，一个人被蚊子咬的可能性几乎是不存在的（只有一千亿分之一！）。荒谬之处显而易见。他们忽略了人类已经存在于一个可以产生生命的宇宙这个条件。一个宇宙能因玻尔兹曼所说的涨落而产生生命的可能性的确是非常小，但是在那样的宇宙也根本不会有提出这个问题的生物存在。

2.非平衡定态

后来普里戈金（I．Prigoging）引领著名的布鲁塞尔学派在20世纪开创了“非平衡定态”热力学，而后发展为耗散结构理论。耗散结构是指在远离平衡的条件下，借助于外界的能量流、质量流和信息流而维持的一种空间或时间的有序结构，它随着外界的输入而不断地变化，并能进行自组织，导致体系本身的熵减少。普里戈金所著《从存在到演化》一书第6章“非平衡涨落”部分作此阐述：“在宏观物理学中，涨落一般起着较小的作用，因为当系统充分大时，他们作为可以忽略的小的修正而出现。然而在分支点附近，它们起着实质性的作用，因为在那里是涨落驱动平均值。这正是我们在第4章引进涨落达到有序的观念的意义。”也就是说，宇宙可以在某些区域形成某种较稳定的机制，可以将玻尔兹曼所说的涨落更长期地贮存下来。这一理论大大加强了涨落说的说服力。

玻尔兹曼对热寂说的批判是当时很有影响力的一种，直接指出了热寂说的疏漏。

3.麦克斯韦妖

麦克斯韦妖大概是物理学历史上最著名的妖了。它是由麦克斯韦（J.C.Maxwell）最先提出的，是一只可以减少孤立热力学系统的熵的妖怪。19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人的另一个就是麦克斯韦了。假设宇宙中存在某种机制能有类似与麦克斯韦妖的能力，那么熵增加原理就是错误的，热寂说也将站不住脚。

但麦克斯韦妖实际上并不能减少一个孤立热力学系统的熵，除非外界提供给它信息。但来自外界信息实际上是含有负熵的，正是这些负熵降低了系统总的熵。现代信息熵理论已经非常成熟，完全解决了这个问题。没有信息麦克斯韦妖就无法工作。麦克斯韦妖对信息熵理论的发展做出了不可忽略的贡献，但它并不能伤热寂说分毫。

4.策尔梅洛诘难

策尔梅洛（E. Zermelo）没有直接攻击热寂说，而是质疑其基础——热力学第二定律。1896年，策尔梅洛引用法国数学家庞加莱（H. Poincare）的始态复现定理——孤立的、有限的保守动力学系统在有限的时间内回复到任意接近初始组态的组态，由此认为宇宙热寂说是错误的，违背了数学定理。据历史而看，庞加莱和普朗克似乎都同意策尔梅洛的观点，毕竟，始态复现定理已经过严密的数学论证。

始态复现定理甚至可以到处一个与热寂说同样让人耿耿于怀的结论：只要经过足够的时间，宇宙会回复到一个与现在一模一样的状态。宇宙的孤立性、有限性在2.1.3中已经说明，不再赘述。

这个定理似乎彻底击溃热寂说了，甚至把结论带向了另一个极端——“从一切都会死寂”到“一切都会重来”。在得出结论前我们不妨先用始态复现定理计算一下庞加莱复现时间。1mol气体大约有个6.0210^23个粒子，若考虑标况下一个小手指头大小的气体系统，其中大约有个10^18个粒子，其庞加莱复现时间高达10^(10^18)秒或年（这两个单位在这个量级下已经没有多大差别），1后面跟

10^18个0。而宇宙的年龄大约为100亿年的数量级，仅约10^18秒。此微小的一个系统尚且需要这么长的时间才能复现，更何况偌大的宇宙。对于宏观系统来说，庞加莱复现时间已经大到没有实际意义。

可见策尔梅洛诘难对热寂说并不具有实际的攻击力。但是，时间的意义会不会延续到10^(10^18)年之后是另一个重要而深刻的问题了。

5.负引力热容

根据位力定理，对于万有引力、库伦力这样的自引力系统，在一个周期内动能的时间平均值等于总能量的负值，即Ek=-E。也就是说，自引力系统得到能量时动能减小，失去能量时动能增大。热学中比热容的定义是物体温度每升高1K所需要的热量。对于这些自引力系统来说需要释放能量来提高温度，即具有负的“热容量”。拥有负热容的系统没有稳定的平衡态存在，也就是说，宇宙这个自引力系统不可能达到平衡态。如赵凯华在《热学》中所言，天体的形成是引力系统的自发过程，它的熵是不断增加的。由于不存在平衡态，熵没有极大值，因此宇宙的熵的增加没有一个上限，不会在某个时刻达到热寂后熵就不变了。

可以说，负引力系统是热寂说最大的要害。玻尔兹曼提出的是一个可能的解释，而负引力系统则是热寂说迈不过的坎。

6.一些无聊的诘难

历史上大多数对热寂说的诘难都是错误且徒劳的。与克劳修斯同时代的人提出的意见往往直接被克劳修斯驳倒；而后世提出的诘难则需由后人回答。

从克劳修斯时代就出现的一种诘难是，上帝创造世界，自然也会将熵吸收。这是无法反驳的诘难，因为我们永远无法证明上帝不存在。不过，持此观点的人也无法证明上帝存在。于是，这就变成了一个无足轻重的诘难。从物理定律的简洁性和和谐性出发，我们暂时还不需要上帝为我们做什么。

后来，恩格斯在《自然辩证法》中写道：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”恩格斯这段话其实只表明他不认可热寂说，至于热寂说为什么是错的他也不知道，要问其他自然科学家才行。也就是说这段话只是一个空洞的观点而已，并没有什么实际意义。上个世纪，我国和前苏联的一些教科书常引用恩格斯的这段话反驳热寂说其实是不科学的。盲目地将一个人的个人观点不加证明的滥用是不会对科学产生什么实际效果的。