你知道吗--现代科学中的100个问题-第21章
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因此，克劳修斯说，自然界中的一个普遍规律是：能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说，“熵将随着时间而增大”。
对于能量从密度较高的地方向密度较低的地方流动的研究，过去主要是对于热这种能量形态进行的。因此，关于能量流动和功－能转换的科学就被称为“热力学”，这是从希腊文“热运动”一词变来的。
人们早已断定，能量既不能创造，也不能消灭。这是一条最基本的定律；所以人们把它称为“热力学第一定律”。
克劳修斯所提出的熵随时间而增大的说法，看来差不多也是非常基本的一条普遍规律，所以它被称为“热力学第二定律”。
第69节
按照“热力学第二定律”，熵总是在不断地增大。这就是说，能量密度的差别一直在减小。当所有能量密度的差别都完全取平的时候，就再也无法从能量榨出任何功来，宇宙也不会再有丝毫变化了。
让我们来考虑一个表。一个表之所以能不断走下去，是因为它的发条或电池中集中着能量。当发条松开或电池发生化学反应时，能量就从密度高的地方流向密度低的地方，由于这种流动的结果，表就会走下去。一旦发条完全松开或电池的化学变化完全结束，整个表里的能量就完全拉平，不再会有能量在流动，因而表也就不再走了。它已经“衰亡”了。与此相似，当宇宙中的所有能量全部拉平时，我们就说宇宙“衰亡”了。↙米↙花↙书↙库↙ ；www。7mihua。com
当然，我们可以把表的发条再一次上紧，或者换一个新电池。但为了把表上紧，我们就得使用我们肌肉的力量，从而使我们自己稍稍“衰老”一点。我们也可以买一个新电池，但是，那就得把它制造出来，而为了制造这个电池，人们的工业设备就必定会稍稍“衰老”一些。
我们可以通过吃东西来恢复我们自己肌肉的力量，但是，食物最初是由植物利用太阳的能量产生的。人类的工业设备主要依靠煤和石油工作，而煤和石油也是植物在远古的年代用太阳能产生出来的。当地球上的各种事物“衰老”时，我们总是可以利用某种东西把它们的“发条”再一次“上紧”。而这类东西通常总要追溯到太阳能的作用，因此，太阳也是在不断“衰老”。
太阳主要是由氢构成的，氢原子中每一个粒子所含的能量要比氦、氧、铁等较为复杂的原子多得多。在太阳内部，由于氢不断转变成比较复杂的原子，能量密度就逐渐取平。在地球上的核动力发电厂中，由于铀原子转变成比较不那么复杂的原子，也发生同样的情况。今后我们一旦建成了氢聚变电厂，那么，从某种意义上说，我们就将再现太阳上所发生的情况。
就我们目前所知道的情况看，太阳上的能量密度最后会完全取平，而太阳本身则将只含有中等大小的原子。对于宇宙中的所有其他恒星和宇宙中的每一件东西来说，这种说法也同样成立。
如果热力学第二定律是正确的，那么，宇宙中每一个地方的能量密度就都正在不断取平，从这个意义上来说，宇宙是在不断衰亡着。假使情况确实是这样，那么，当宇宙中所有能量都完全均匀分布时，熵就将达到最大值，那时任何现象都不会再发生了。因为尽管所有能量都还全部存在，但它已不再会有任何流动，也不会成为发生某种现象的动力了。
这是一种令人忧虑的前景（假如第二定律确实在一切条件下都成立的话），但我们现在完全毋需恐慌。这个过程需要许多亿亿年才会终结，因此，不仅是在我们活着的时候，而且在整个人类存在的时候，甚至在地球还存在的时候，宇宙都会像目前这样继续存在下去。
第70节
试想像有九个人排成一个方阵——三个人一排地排成三行，每行每列都对得整整齐齐。我们可以把这种排列叫做有秩序的排列，因为它又整齐、又对称，描述起来也很容易。如果这九个人每人都同时向前跨一步，那么，他们将保持原来的队形，这时的排列仍然是有（秩）序的。如果每个人都向后退一步或者向左或向右移一步，情况也是这样。
但是，假定现在命令每个人都走一步，但前后左右都可以，并且每个人可以随意选择他的方向。这时，可能每个人都碰巧独立地决定向前跨一步。在这种情况下，秩序就仍旧保持不变。
不过，其中任何一个特定的人选择向前跨一步的可能性只有四分之一，因为他可以随意朝四个方向当中的任一个方向走那一步，因此，所有九个人全部独立决定向前跨一步的可能性只有4×4×4×4×4×4×4×4×4分之一，即只有1/262；144。
如果九个人全部向后退一步或全部向左或向右移一步，他们的秩序也同样保持不变，因此，九个人同时朝同一方向走一步的总的可能性是4/262144，即1/65538。既然是这样，你就可以看出，保持那种秩序的可能性是多么微小，同时你也知道，如果让那些人能够自由行动，那么，只要有一个人迈出一步，就完全足以破坏那个方阵，从而使有序的程度降低。尽管他们还是有很小的可能性同时朝同一个方向移一步，但是，下一步就完全有可能把那个方阵破坏掉。
这是个只牵涉到九个人、并且只容许有四个不同的运动方向的情形。在大多数自然过程中，我们却要碰到无数亿个可以用非常多种不同方式自由运动的原子。如果由于某种机会，这些原子在开始时有某种有序的排列，那么以后任何一种自由的无规运动、任何一种自发的变化，都必定会降低那种有序的程度，换句话说，就是会提高无序的程度。
按照热力学第二定律，宇宙的熵总是在不断增大，这就是说，宇宙中的能量分布是在不断地均匀化。可以证明，任何一种能够使能量分布均匀化的过程，同时也会使无序程度增大。因此，由于构成宇宙的粒子可以自由地进行无规运动而使宇宙的无序程度不断增大的这种趋势，正好是热力学第二定律的另一个方面，我们可以把熵看作是衡量宇宙中存在的无序程度的一个量。
如果我们用这种方式来看问题，我们就可以看到第二定律对我们周围一切所起的各种作用了，因为所有自然变化显然都是朝着提高无序程度的方向进行；只有当我们付出一定代价做出特殊努力时，我们才能使秩序得到恢复。我们的零星杂物总是在变乱，我们的房间和我们的衣服也总是在变脏，我们必须经常整理、打扫、洗涤，才能保持整洁。这可能使我们感到最好认为，这一切都是出于那条了不起的宇宙规律在起作用的结果——不过，我自己可一点也不这样想。
第71节
假定我们从空间中很远的地方，拍下一部地球绕太阳运转的电影，然后把它放映得很快，使我们可以看到地球似乎在沿着它的轨道骨碌骨碌地转动着。再假定我们先把这部影片顺着从头到尾放映一遍，然后又倒过来从尾到头放映一遍。那时，我们能够说出哪一种放映法正好看起来同地球在运动的时候一样吗？
你也许会说，从太阳的北极上方往下看，地球是逆时针方向绕着太阳转的。如果看起来地球是在顺时针方向运转，那么，我们就知道影片是在倒过来放映，因而时间是在向后退。
但是，如果你这时是从太阳南极的上方去观察地球绕太阳的运动，地球就会是顺时针方向绕着太阳运动。这样一来，如果你看到的是顺时针方向的运动，你怎样知道你是在太阳北极上方看到时间在往后退，还是在太阳南极的上方看到时间在向前进呢？
你是无法回答这个问题的。就是在只牵涉到很少几个物体的、非常简单的过程中，也不可能说出时间到底是在前进还是在后退。对于这两种情形，自然规律都是同样成立的。如果你所考虑的是亚原子粒子，情况也是这样。
大家全都知道，沿着某一弯曲的路径随着向前推移的时间而运动的电子，可以看成沿着同一弯曲的路径随着向后推移的时间而运动的正电子。如果你所考虑的仅仅是那个粒子，那么，你就不可能确定其中哪一种说法是正确的。
在你无法说出时间究竟是在前进还是在后退的那些非常简单的过程中，熵是不改变的（或者是改变得非常少，因而可以略去不计）。但是，在牵涉到许多粒子的一般过程中，熵总是会增大，换句话说，无序程度总是会增大。一个跳水运动员跳入游泳池而溅起大量水花，一个花瓶掉在地上面碎成片片，许多树叶从树上掉落而散布在地面上——所有这些和我们周围所发生的其他事情，我们都可以证明它们是会使熵增大的。我们习惯于看到熵在增大，并且往往用熵的增大来说明一切都在正常地进行，说明我们在时间中正在向前推进。要是我们突然看到熵在减小，那么，我们唯一能做出的解释就是：我们正在时间中往后退。
例如，假定我们正在看一部由日常生活构成的影片。倘若我们看到了溅起的水滴汇集在一起，而跳水运动员从水里向上升到跳板上；倘若我们看到花瓶的碎片凑成花瓶并通过空气跳回桌子上原来的地方；倘若我们看到地上的落叶自己集中起来并飞回树上各个枝枝桠桠上，那么，由于这一切都表明熵降低了，所以我们就知道，这一切完全同事物的正常次序相反，而那个影片肯定是倒过来放映的。事实上，当时间颠倒过来的时候，各种事件会变得那么古怪，因此，那种场面会使我们发笑。
由于这个缘故，熵有时也被称为“时间的箭头”，因为它的稳步上升可以作为时间的“前进方向”的标志。不过，如果物体中的全部原子都正好以同样的方式运动，那么，所有这些颠倒的事情就是可能发生的。但发生这种事情的机会是如此之小，所以我们完全可以把这种可能性略去不计。
第72节
关于这个问题，我们所能给出的最可靠的答案是：谁也不知道。就我们所知道的情况而论，我们只能够说，一切变化都朝着熵增大的方向、朝着无序程度增大的方向、朝着无规性升高的方向、朝着衰老的方向进行。然而，宇宙曾经一度占有一个很高的地位，才能使它在几亿亿年里一直这样衰亡下来。但是，它是怎样达到那样高的地位的呢？
我能够想出三个可能的答案，这三个答案都仅仅是猜测而已。
（1）宇宙中所产生的各种各样的事物，我们并不全都知道。我们所观察到的变化，确实全部是朝着熵增大的方向进行的。不过，也许在宇宙的某些地方，可能有一些变化在我们还无法进行研究的条件下，是朝着熵减小的方向进行的。在这种情况下，宇宙作为一个整体，就有可能一直维持下去了。这就是说，我们所能观察到的、似乎在衰亡的，只是宇宙的一小部分，而在其他地方却在发生着可以抵消这种衰亡的上升运动。
（2）假�
