熵及其他

昨天晚上问了朋友一个问题:你觉得明天会更好吗?他的回答是:你知道热力学第二定律吗?于是一晚上做的梦都是关于熵啊什么的。早晨起来忍不住回顾了一下高中物理的概念,也抓到了一大堆灵感,实在想有序化一下。

熵与热力学三大定律

热力学第一定律:能量守恒定律

热力学第二定律:热传递表述:热量可以自发从较热物体传递到较冷物体,但不可能自发从较冷物体传递到较热物体;热功表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量变为功,而不产生其他影响;熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵总是不会减少。

热力学第三定律:绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者绝对零度不可达到。

热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡,那么它们也必定处于热平衡。

熵与各学科

热力学的熵表示的是“系统混乱状态”。熵越高,系统越混乱;熵越低,系统越有序。

信息论中熵是对不确定性的测量。熵越高,能传输越多的信息;熵越低,能传输的信息越少。

生态学中熵表示的是生物多样性的指标。熵越高,生物多样性越高;熵越低,生物多样性越低。

熵与人的理性

生命本身即为混乱之中由于未知的原因出现的有序。人的理性倾向于保持有序状态,热衷于追求有序、可控的事物。人通过从外界获取能量,通过新陈代谢做功,减少身体中的熵,实现内部的有序化。同时通过对外界做功,实现外部世界的有序化,这一过程又会增加自身的熵,再次通过新陈代谢减少熵的存在。因此,人的理性是倾向于熵减少的,但这一过程需要持续获得外界能量的帮助。

熵与地球太阳

太阳把热量赐予我们,却把无序留给自己。

如果将太阳和地球视为一个封闭系统,那么熵的总量总是在增加的。即总是向着无序的方向发展。要么是太阳变得无序,要么是地球变得无序。

如果把地球视为一个封闭系统,那么熵的总量总是在增加的,即总从有序趋向于无序。地球的有序趋向来源于两点:人的主观和外界条件的客观。人的主观是指人的内在以理性为目标,热衷于追求有序、可控的东西,外界条件的客观是指太阳作为能量源的持续供应,为人追求有序提供了条件。而地球的无序趋向来源于自然法则(目前人类所能认知的),即热传递。

熵与可持续发展

熵增意味着热力学中混乱程度的增加,意味着生态学中生物多样性的增加,是封闭系统的演进趋势。因为保持有序需要能量,需要外界做功,因此相对于“长久的无序趋势”,在能量有限的前提下,有序实在很短暂。因此,混乱意味着自然状态上的长久,生物多样性保证了种族的可持续性,可持续发展意味着有序与无序均衡下的发展,不能过于有序,因为会能量有限,也不能过于无序,因为会违反生命的有序性追求。

熵与地理空间

从熵增趋势来看,在相对封闭的系统中,在无外力作用下,不同地理空间的发展应该是趋于均衡和无序的。为什么当前的地理空间出现了不均衡发展的趋势?是由于人的理性的作用,即在有序、高效的目标下,以大量能量损耗为前提的发展过程。其结果为空间极化,能量损耗,局部地区熵的减少,和整个系统熵的增加。长期来看,在特定的能量支持下,有两种结果:一种是人的理性带来更强的技术理性,会加强局部地区的有序,和整体的无序,继续极化发展;一种是人不再想逆自然趋势而动,出现生命向永恒的妥协,会接受无序的存在,会出现由极化到均衡的发展。现实情况一定是二者的共同存在,只是看哪种思维占主导,是对有序的需求还是长命百岁世代永存的需求。

熵与技术理性

技术进步是人的理性发明的帮助人有序化掌控世界的手段,一方面减小了技术系统中的熵,另一方面增加了其他系统中的熵。计算机的发明,互联网的建立,极大促进了世界有序化进程,也把熵悄悄增加在系统中。少量的人依靠自身的理性创造出技术的理性,大量的人开始越来越依赖于技术理性,而忽视自身的理性,造成大量人内部与外部混乱性的增加,即熵的增加。在人的理性没有被充分认知的情况下,技术理性很难对抗,人很容易追求安逸与长久,吸收大量无序信息,任凭身体内部熵的增加,思维的混乱。当然,在一些认识到人的理性的人心中,技术理性可以为人类所利用,有选择地吸收所需要的信息,帮助自身建立起更一致更有序的内在。所以,技术理性是双刃剑,只有在人的理性有能力有气场掌控它时,才能为人类所用。

熵与日常生活

一天之计在于晨,从熵的角度来解释,经过了身体在夜间的有序化做功,早晨是一天之中熵最低的时候,应该从事最富挑战性的工作,从而实现有序化程度最高的工作结果;晚上是一天之中熵最高的时刻,可以通过外界的刺激(读不同领域的感兴趣的书、看夸张的电影、刷微博),从无序中找到灵感,成为日后有序化工作的指引。当我们感觉到累了倦了的时候,是身体中熵值较高的时候,这个时候恢复有序的最好办法是睡觉,让身体的新陈代谢我们降低熵值。

熵与博士论文

博士论文是我们追求的观点的有序化的表达,应该是熵值较低的一件事物。它一方面需要我们吸收高熵值环境中的灵感,看到不同事物之间的联系;另一方面需要我们在高熵值的环境中克服惰性做功,用理性降低自身的熵值,从而将看到的事物之间的联系有序化。这一过程的关键是直觉赋予我们的灵感,理性赋予我们的智慧,辅助以食物、睡眠等降低内部熵值的外界能量和内在机制,实现博士论文的低熵化表达。但往往最难的是理性与控制。

输出无序的东西能降低自己的熵值,输出有序的东西会增加自己的熵值。那么,这篇文章写完,我的熵值看似是增加了,希望中午小憩一下恢复有序,下午起来用理性对战仍处于无序中的论文材料。

PS:江亿老师的团队在研究另一个好玩的概念,叫“火积”;是与熵(能量/温度)相对的一个概念,表示(能量*温度),是指“广延量热量与强度量温度之积,故将其命名为传递势能”。不明觉厉,觉得也有文章可以挖一挖。

后记

追着留言的朋友的评论去看了大家关于熵的讨论,再次印证当我们初接触一个新概念时往往容易激情澎湃,有一种“原来是这么回事”的快感,但其实真相往往比我们想象的要复杂。比如与熵造成的无序相对应的是协同学、耗散结构和自组织理论提出的从混沌到有序。明天要去图书馆借哈肯和普利高津的书来扫个盲!

阮一峰博客关于熵的讨论,大家的留言尤其有趣!http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/entropy.html

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2 Responses to 熵及其他

    • Meiple says:

      谢谢推荐,我觉得文章下面的评论让我很长见识,准备找本《协同学:大自然构成的奥秘》和《从混沌到有序:人与自然的新对话》来读一读~

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