迄今，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)世界的各種各樣的、大大小小的、許許多多的規(guī)律、定律，其中沒有一個(gè)對物質(zhì)世界的存在及其進(jìn)化是不利的、有害的，惟一例外的是熱力學(xué)第二定律，既特殊而讓人難以抗拒，它或許還意味著我們這個(gè)宇宙悲涼的結(jié)局。
什么是熱力學(xué)第二定律？
不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全轉(zhuǎn)換為功而不引起其他變化。（開爾文表述）
不可能使熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。（克勞修斯表述）
以上是熱力學(xué)第二定律的兩種的表述形式，看似兩種形式，其本質(zhì)卻是一樣的。
19世紀(jì)初期，蒸汽機(jī)在工業(yè)上已得到廣泛的運(yùn)用，但其效率不高。在研究如何提高效率的過程中，法國物理學(xué)家卡諾發(fā)現(xiàn)，蒸汽機(jī)的效率取決于機(jī)械內(nèi)外的溫度差。在蒸汽機(jī)的工作過程中，雖然能量是守恒的，但卻無法將所有的熱量轉(zhuǎn)換做功。作為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)這種數(shù)量關(guān)系的人，他被認(rèn)為是現(xiàn)代熱力學(xué)的奠基者。
驚奇事實(shí)：關(guān)于時(shí)間的不對稱性
什么是關(guān)于時(shí)間的不對稱性呢？簡單來說，就是不能回到過去的那種狀態(tài)。牛頓的經(jīng)典物理體系關(guān)于時(shí)間是對稱的：臺球桌上小球的運(yùn)動，用一臺攝像機(jī)把這個(gè)過程拍攝下來，那么把視頻倒過來放，同樣滿足運(yùn)動的方程式。但是熱力學(xué)第二定律則不一樣，摩擦產(chǎn)生熱，耗散到四面八方，把這個(gè)過程倒著放，你會發(fā)現(xiàn)熱從四面八方匯聚一起，然后推動了運(yùn)動！這是相當(dāng)荒謬的。真空中的氣體自由擴(kuò)散很輕松就完成了，但如果你想把這些遠(yuǎn)走高飛的原子喚回來，卻需要巨大的麻煩！我們燒掉一塊煤，燃燒所得的能量不會消失，但我們卻再也無法把同一塊煤重新燒一次來做同樣的功了。熱力學(xué)第二定律解釋了這些現(xiàn)象，它告訴我們每當(dāng)能量從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化到另一種狀態(tài)時(shí)，我們會得到“一定的懲罰”。這個(gè)懲罰就是我們損失了能在將來用于做某種功的一定能量。這就是所謂的“熵”。
現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)力學(xué)認(rèn)為，熱是由概率性原子相互作用的結(jié)果。就拿上面氣體擴(kuò)散的例子來說，
對于n個(gè)分子，它們集中在A中的概率只有1/2n，對于1mol氣體來說，這個(gè)概率為1/26*1023≈10-2*1023，這是微不足道的。平均來說，要在2n次觀測中出現(xiàn)一次全在A中這樣的情況，即使每秒觀測108次也要102×1023秒，這個(gè)時(shí)間比現(xiàn)在估計(jì)的宇宙年齡1017（100多億年）要大得多！這種情況實(shí)際上是觀察不到的。
應(yīng)該指出的是，這種定律并不適用于微觀即一兩個(gè)分子的情形，分子數(shù)目少的時(shí)候大有可能全在A或B中。
麥克斯韋的小妖：對熱力學(xué)第二定律的質(zhì)疑
熱力學(xué)第一定律即能量守恒，很容易被人接受，但熱力學(xué)第二定律卻受到了眾多質(zhì)疑。物理學(xué)家麥克斯韋于1871年提出了這樣一種情形，一個(gè)密閉的容器，分成左右兩部分，隔板上有個(gè)開口。我們知道，氣體溫度是由其眾多分子的平均動能決定的，同一種氣體分子，運(yùn)動得越快氣體溫度就高。麥克斯韋設(shè)想，在開口處有一個(gè)“小妖”在這里監(jiān)視分子的運(yùn)動，并控制開口的開關(guān)。起初兩側(cè)溫度相同，由分子運(yùn)動平均率可知，分子之間的速度是有差異的，當(dāng)運(yùn)動快的分子進(jìn)入右側(cè)、或者運(yùn)動慢的分子進(jìn)入左側(cè)時(shí)，小妖便打開閥門讓分子經(jīng)過，反之，則關(guān)閉閥門不讓分子經(jīng)過。如此一來，經(jīng)過一段時(shí)間之后，容器的右邊便是運(yùn)動快的分子，而左邊則是運(yùn)動慢的分子，由于溫度反映的是分子的平均動能，因此右側(cè)的溫度顯然比左側(cè)高，如此一來，我們并沒有對這個(gè)密閉容器中的氣體做功，但是這個(gè)容器里的氣體便自發(fā)地分成了高溫和低溫兩個(gè)部分，這顯然是違背熱力學(xué)第二定律的。
應(yīng)當(dāng)說，在日常生活中，誰也沒有見過這種現(xiàn)象，但是麥克斯韋的小妖又似乎難以駁倒，直到20世紀(jì)，人們才弄清楚麥克斯韋小妖并不能推翻熱力學(xué)第二定律，原因就在于，小妖要想識別分子運(yùn)動速度的快慢，就需要消耗能量，而且從信息論的角度來說，小妖為此花費(fèi)的能量將多于它完成這種轉(zhuǎn)移后系統(tǒng)增加的能量。因此，從總體的角度來說，要想完成這一過程，外界就必須消耗能量，整個(gè)體系的熵還是增加的。熱力學(xué)第二定律依然未能被打破！
薛定諤的悖論：來自生物學(xué)的挑戰(zhàn)
如果了熱力學(xué)第二定律詮釋出宇宙越來越混亂的趨勢，那么，為什么生命的進(jìn)化歷程顯示出越來越有序的趨勢呢？1943年，奧地利科學(xué)家歐文·薛定諤(Erwin Schrodinger)在劍橋大學(xué)演講時(shí)提出了這一悖論。這一悖論顯示出了物理學(xué)與生物學(xué)之間的矛盾——生物體怎樣才能抵制熱力學(xué)的腐蝕？薛定諤推測，生物體一定是以某種方式在自己身上集中了一種整齊有序的趨勢，他為這種趨勢取了一個(gè)奇怪的名字——“負(fù)熵”。
生物體不能脫離物理和化學(xué)定律的制約，為了達(dá)到有序性就必須付出代價(jià)。最后的答案是，生命的有序性來自太陽。
地球上的生物圈并不是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，它得到了太陽的能量。生命的基本過程是獲取太陽的低熵、不同波段的光的能量，生命將光轉(zhuǎn)變?yōu)樯矬w和熱。獲取、使用，以在某種程度上對來自太陽的光子的的高質(zhì)量能量再循環(huán)。通過這些方式，生命獲得延續(xù)和增長，形成作為宇宙垃圾的熵和熱。如果生命是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，那將是不可思議的。但它是一個(gè)開放的系統(tǒng)——這一點(diǎn)極為重要，進(jìn)化所需要的日趨復(fù)雜需要低熵的太陽輻射的資助。
從生物的生存環(huán)境上來看這一點(diǎn)，就會更加明顯。我們的“有序”，同時(shí)產(chǎn)生了更多的“無序”——尿、糞、汗、污染、垃圾和排出的二氧化碳都是人類生活不可避免的廢物。作為一個(gè)開放的系統(tǒng)，我們必須拋棄物質(zhì)和能量廢物。對于生物體來說，要排除不再有利用價(jià)值的氣體、液體和廢物。站在生態(tài)系統(tǒng)的角度，排出的污物進(jìn)入土壤或水域，在微生物的分解過程中，大部分散失，只有少量能量被重新利用。站在生物圈的角度，我們勢必要污染全球共有的海洋，使火箭殘余物進(jìn)入近地太空軌道。大自然已找到了廢物再循環(huán)進(jìn)入生物體的方法，但它卻無法躲避熱力學(xué)的規(guī)則，即整齊有序地創(chuàng)造出全球的垃圾。
表面的有序，只是地球這個(gè)范圍內(nèi)的部分有序，在更大的角度看，地球的有序是以太陽有序的喪失為代價(jià)的。
熱寂：世界的終結(jié)？
如果把這個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)大到整個(gè)宇宙的范圍來看，那么就會得到這樣一種推論，即，宇宙的熵會隨著時(shí)間的流逝而增加，由有序向無序，當(dāng)宇宙的熵達(dá)到最大值時(shí)，宇宙中的其他有效能量已經(jīng)全數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能，所有物質(zhì)溫度達(dá)到熱平衡。這種狀態(tài)稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運(yùn)動或是生命的能量存在。威廉·湯姆森（William Thomson）于1850年提出了這個(gè)理論，隨后，熱寂理論又由赫爾曼·馮·亥姆霍茲和威廉·朗肯（William Rankine）加以發(fā)展。
根據(jù)熱寂的學(xué)說，宇宙的最終結(jié)局將是一片死寂，歷經(jīng)無數(shù)億年艱難曲折一切進(jìn)化成果都將被毀滅，一切存在過的歷史和記憶都將被夷平。簡而言之，證明宇宙存在的歷史證據(jù)都將不復(fù)存在，這是什么意思呢？大到星系的運(yùn)動，星球數(shù)目和位置，太陽系有的行星，以及在地球上的發(fā)生過的一切，人類文明——今后沒有證據(jù)來證實(shí)這一切的存在。其實(shí)，毀滅其實(shí)并不是最可怕的，最可怕的是毀滅后還銷毀掉了一切存在的證據(jù)。
所有的星體都將被毀滅，宇宙成為一片無生命的、毫無生機(jī)的、恒溫的廢墟。熱寂理論持有一種悲觀的色彩，這種色彩除了引來對未來充滿信心的哲學(xué)家的批評外，也招到了科學(xué)界的質(zhì)疑。天體物理學(xué)家弗里曼·戴遜(Freeman Dyson)認(rèn)為，這個(gè)結(jié)論從宇宙論意義上講是欠成熟的，因?yàn)槲覀兊挠钪嬉苍S其本身只是一個(gè)更大的開放系統(tǒng)的組成部分。但是，在我看來，如果那樣認(rèn)為，那么我們也能把更大的系統(tǒng)包含進(jìn)來，然后成為一個(gè)封閉的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中達(dá)到“熱寂”。
目前流行的大爆炸理論也對熱寂作出解釋，但這理論仍然是崇尚熱寂的，只不過換過說法而已，該理論認(rèn)為：對于一個(gè)靜態(tài)的體系(或宇宙中的局部空間)總是趨于平衡態(tài)，但宇宙是膨脹的(看著氣體膨脹),宇宙根本不能達(dá)到平衡態(tài),所以宇宙不會出現(xiàn)熱寂。
但是一些人認(rèn)為大爆炸理論的上述解釋是錯(cuò)誤的,不論宇宙是膨脹、收縮或靜態(tài)，宇宙都不會進(jìn)入熱寂。因?yàn)樾求w引力在引力方向存在溫度坡度，可發(fā)生兩種情形：①、如果一個(gè)星系原是熱均衡態(tài)，溫度處處相等，在星體引力作用下，熱量將向引力中心轉(zhuǎn)移，使引力中心溫度很高，而外圍溫度很低；②、如果一個(gè)星體與周圍已形成溫度坡度，這溫度坡度是由星體引力大小和星體物質(zhì)的分子量決定的，當(dāng)外界施給熱量的影響時(shí)，引力將始終維持一定的溫度坡度，即引力在一段高度內(nèi)溫度差是恒定的。雖然高溫星體把熱量輻射到太空中，是形成熱寂的主要途徑，但不論是氣態(tài)、固態(tài)星體的引力應(yīng)竭力維持一定的溫度梯度，故都具有云集太空中熱量的功能，實(shí)現(xiàn)了熱量的回流，所以宇宙永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)熱寂。(百度百科)
參考資料：
1.《新版大學(xué)物理》吳百詩主編
2.《我的另一半 》What Is Sex？ 林恩·馬古利斯、多里昂·薩根 /著
3.《熵——一種新的世界觀》里夫金、霍德華 /著
責(zé)編：科普知識網(wǎng)