网友提问:
能否尽量通俗地解释什么叫做“熵”?
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熵的概念源自热力学,用于表征系统的无序度(或说混乱度)。无序度越高,熵越大,系统也越稳定。在热力学中,无序是指系统所能达到的不同微观状态的数量,因为系统有一个特定的组成、体积、能量、压力和温度。
热力学第二定律表明,孤立系统总是存在从高有序度转变成低有序度的趋势,此即为熵增原理。例如,打碎的玻璃无法复原、墨水滴入清水中会逐渐分散、鲜花开放会使周围香气四溢。这些自发过程都是不可逆的,系统的混乱度会变高,即熵会增加。按照熵的定义,同一种物质在不同状态所具有的熵是以如下的顺序排列:气态>>液态>>固态。
此外,温度也会影响系统的熵。举个例子,用火加热水壶中的水,不久后,水就会沸腾。本质上,火的热量使水分子的热运动加剧。如果热源被移走,水会自发地冷却到室温。这也是由熵增引起的,因为水分子倾向于消耗掉所积累的势能,从而会把热量释放掉,最后处于一种较低势能的状态。
我们知道,从大爆炸以来,宇宙一直在不断膨胀。如果我们的宇宙是一个孤立的系统,由于熵增原理,宇宙的无序度会随着膨胀而逐渐增加。在一定的时间之后,熵增加到最大,宇宙的无序度达到最大,最终整个宇宙达到热平衡的状态,一切演化全部终止,这是宇宙的可能归宿之一,即热寂。然而,如果宇宙中存在某种机制能够使熵减少,比如真空中的随机量子涨落,宇宙最终可能又会回到最初的奇点,进而再次大爆炸。
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熵的定义与热力学定律特别是热力学第二定律息息相关。简单来讲,熵在物理意义就是衡量事物混乱程度的度量!
在孤立系统中,万事万物总是向着更混乱(无序)的方向发展,也就是向着熵增大的方向变化,这就是熵增原理。而我们的宇宙可以看做一个十分庞大的孤立系统,所以宇宙总是向着混乱的方向变化(熵越来越大)!
举个形象的例子,你家的房子几天不打扫,只会越来越混乱(无序),不会越来越干净,说白了,熵会越来越大!而想要房子变干净(熵减),必须向外释放能量,本质上会制造更大的无序!
熵,并非一个想象的东西,而是有一个简单明了的公式加以描述,这个公式是由玻尔兹曼提出的,在他去世后该公式被刻在玻尔兹曼的墓碑上!
熵增原理告诉我们,宇宙总是会无情地向着更加无序的方向发展,这是谁也阻止不了的!最终宇宙会走向彻底的无序!
但目前我们看到的各种有序环境与熵增原理并不矛盾,熵增的大趋势并不反对某个时间段某个区域的熵减(有序),所以人类存在的意义某种程度上就在于在宇宙无情地走向无序的过程中,最大程度上创造属于我们自己的有序环境!
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这样说好了,你出门没带哈士奇,结果回到家发现哈士奇把家给拆了,这个时候你家的熵达到最大值;正在这个时候你老婆回家了,把刚被哈士奇拆的家又收拾得井井有条,这个时候你家的熵又恢复到零或最小。但是如果你老婆跟你说她不跟你过了让你和哈士奇过吧,而你对哈士奇所做的一切熟视无睹,这个时候你家里会越来越乱,放任的结果就是熵增定律。