科學(xué)百科70期丨熵和秩序之間有什么關(guān)系？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書(shū)是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

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第七十個(gè)問(wèn)題：熵和秩序之間有什么關(guān)系？

試想像有九個(gè)人排成一個(gè)方陣——三個(gè)人一排地排成三行，每行每列都對(duì)得整整齊齊。我們可以把這種排列叫做有秩序的排列，因?yàn)樗终R、又對(duì)稱(chēng)，描述起來(lái)也很容易。

如果這九個(gè)人每人都同時(shí)向前跨一步，那么，他們將保持原來(lái)的隊(duì)形，這時(shí)的排列仍然是有（秩）序的。如果每個(gè)人都向后退一步或者向左或向右移一步，情況也是這樣。

但是，假定現(xiàn)在命令每個(gè)人都走一步，但前后左右都可以，并且每個(gè)人可以隨意選擇他的方向。這時(shí)，可能每個(gè)人都碰巧獨(dú)立地決定向前跨一步。在這種情況下，秩序就仍舊保持不變。

不過(guò)，其中任何一個(gè)特定的人選擇向前跨一步的可能性只有四分之一，因?yàn)樗梢噪S意朝四個(gè)方向當(dāng)中的任一個(gè)方向走那一步，因此，所有九個(gè)人全部獨(dú)立決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。

如果九個(gè)人全部向后退一步或全部向左或向右移一步，他們的秩序也同樣保持不變，因此，九個(gè)人同時(shí)朝同一方向走一步的總的可能性是4/262144，即1/65538。既然是這樣，你就可以看出，保持那種秩序的可能性是多么微小，同時(shí)你也知道，如果讓那些人能夠自由行動(dòng)，那么，只要有一個(gè)人邁出一步，就完全足以破壞那個(gè)方陣，從而使有序的程度降低。盡管他們還是有很小的可能性同時(shí)朝同一個(gè)方向移一步，但是，下一步就完全有可能把那個(gè)方陣破壞掉。

這是個(gè)只牽涉到九個(gè)人、并且只容許有四個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)方向的情形。在大多數(shù)自然過(guò)程中，我們卻要碰到無(wú)數(shù)億個(gè)可以用非常多種不同方式自由運(yùn)動(dòng)的原子。如果由于某種機(jī)會(huì)，這些原子在開(kāi)始時(shí)有某種有序的排列，那么以后任何一種自由的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)、任何一種自發(fā)的變化，都必定會(huì)降低那種有序的程度，換句話說(shuō)，就是會(huì)提高無(wú)序的程度。

按照熱力學(xué)第二定律，宇宙的熵總是在不斷增大，這就是說(shuō)，宇宙中的能量分布是在不斷地均勻化?？梢宰C明，任何一種能夠使能量分布均勻化的過(guò)程，同時(shí)也會(huì)使無(wú)序程度增大。因此，由于構(gòu)成宇宙的粒子可以自由地進(jìn)行無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)而使宇宙的無(wú)序程度不斷增大的這種趨勢(shì)，正好是熱力學(xué)第二定律的另一個(gè)方面，我們可以把熵看作是衡量宇宙中存在的無(wú)序程度的一個(gè)量。

如果我們用這種方式來(lái)看問(wèn)題，我們就可以看到第二定律對(duì)我們周?chē)磺兴鸬母鞣N作用了，因?yàn)樗凶匀蛔兓@然都是朝著提高無(wú)序程度的方向進(jìn)行；只有當(dāng)我們付出一定代價(jià)做出特殊努力時(shí)，我們才能使秩序得到恢復(fù)。我們的零星雜物總是在變亂，我們的房間和我們的衣服也總是在變臟，我們必須經(jīng)常整理、打掃、洗滌，才能保持整潔。這可能使我們感到最好認(rèn)為，這一切都是出于那條了不起的宇宙規(guī)律在起作用的結(jié)果——不過(guò)，我自己可一點(diǎn)也不這樣想。