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熵的世界观

2019-07-06  江8pictvp...

  No.02

熵的世界观

万物之始,大道至简,衍化至繁,世间万物都受到最简单道理的支配。 

热力学第二定律,便是个中翘楚。它以万物为刍狗,排演着世界的终局。

死神定律

热力学第二定律认为,在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移,而不能由低温物体自动向高温物体转移,也就是说在自然条件下,这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来,只有靠消耗功来实现。热二定律也被称为熵增定律,这里的熵就是用来描述事物的混乱、无序程度。

它有一个颇具哲学意味的推论:在一个孤立的系统中,事物自发地从有序(低熵)走向无序(高熵),所有秩序终归于混沌,所有火焰终将熄灭,所有结构终将自行消亡。最终,宇宙也将自发走向寂灭(热寂)。

简言之,系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大的状态。熵值最大时,能量被均匀分布,系统达到最平衡态。绝对的平衡就是死亡,于是,第二定律又被称为死神定律。

熵为观察世界提供了新的视野,下文我由小到大分6个尺度来谈谈熵的世界观:

01.自然个体

02.生命系统

03.社会组织

04.地球生态

05.星际宇宙

06.世界观的改造

下面进入正文部分。

01.自然个体

美丽的谎言

比如沙堆,在这个系统中,沙粒杂乱又均匀的分布着,你如何搅动,它的外在形态都保持稳定,始终还是一个沙堆。这种高稳定态的沙堆就是高熵物体。

注意,如果一个小孩带着铲子、水,把沙堆堆成一座沙堡,情况会发生哪些变化呢?是的,它具备了美感,但稍一触碰,就会分崩离析。用熵来解释,这是因为,原有的系统(高熵的沙堆)在外部能量(力、水)的注入下,改变了内部形态形成了新的系统(低熵的沙堡)。这个过程中,能量的注入使得物体的熵由高变低,在精致的同时也付出了脆弱的代价。无论搭建的技巧如何高超,沙堡终将重归沙堆。

你所谓的精致,其实脆弱的不堪一击。食物会腐坏,楼房会老化,生命会衰亡,哪怕是恒久远的钻石,也会在熵律的推动下分化为石墨。当然,从人类的时间尺度看,一颗永流传仍不失一个美丽的谎言。

有歌词说的好:“我会相信一切有尽头,相聚离开,都有时候,没有什么会永垂不朽。”

02.生命系统

生命的秘密

在残酷的死神定律下,有一股力量逆流而上,在无序中构建了有序,它始于洋底热泉的涓涓细流,在熵中孕育负熵,在时间之矢的拉动下,终于汇聚成生命的大海,这便是生命的创世纪。

薛定谔将热力学熵的概念引入了生物学领域。生命系统是一个巨大的化学反应库,生命的代谢过程建立在生物化学反应的基础上。从某种角度来讲,生命的意义就在于具有抵抗自身熵增的能力,即具有熵减的能力。

混乱和有序,或者说熵和负熵,确实参透了生命的秘密。

在生命形态中,生命体需要从外部摄取负熵(食物),释放高熵(排泄物),用以对抗熵增(衰亡)。当自然发生的熵增统治了一个生命体,生命系统达到最平衡态,最终就是失去生命的活力。

平衡也就意味着静止和死亡。

这一过程周而复始,不可违逆。在生存进化中,对年轻、新鲜、精致的追求,对衰老、腐坏、混乱的逃避被深深植入我们的基因。这样看来,喜新厌旧还真是深入人类的骨髓啊。

在有序在生命体中,也有不安好心的分子,那便是癌。癌变是正常体细胞变异后无限增殖的产物,它在生物体内自发形成熵增,不断增加系统的混乱程度,最终导致系统的崩溃。

生老病死,无不遵循着熵律。

北大生命科学院前院长饶毅曾做过一次毕业生演讲,令我印象深刻:“从物理学来说,无机原子逆热力学定律出现生物是奇迹;从生物学来说,按进化规律产生遗传信息指导组装人类是奇迹”,“50年后返校时告诉母校你如何做到:在你所含的全部原子再度按热力学第二定律回归自然之前,它们既经历过物性的神奇,也产生过人性的可爱。“

我常观察我儿子的宠物兔,每每折服其惊人的食欲,也为飞逝的兔粮担忧。每次喂食,看到它上窜下跳,奋不顾身的样子,不禁感叹:物犹如此,人何以堪。连只兔子都在努力的对抗熵增,人为什么不好好的活呢。

系统的平衡

上文说过,静止意味着死亡,可见生命在于运动真不是一句鸡汤,它朴素的说出了生命系统的动态平衡。跑过步的都知道,启动时,一只脚蹬地发力,另一支脚悬空,身体处于失衡态。紧接着,悬空脚落地,身体平衡被重建,于是再次蹬地、悬空,周而复始。这个平衡—不平衡—平衡的过程即是动态与静态平衡的统一。

我们可以说,系统因平衡而生,在平衡中发展。故而,水至清则无鱼。小到池塘,没有生态,会慢慢演变为一潭死水。这也是为什么,物种的灭绝会造成生态灾难。失去了天敌,种群也失去了再平衡能力,最终在无序扩张中和生态系统一同消亡。

03.社会组织

管理即能量

在生命系统中,活力的评判标准在于竞争是否充分,是否处于平衡的统一。在由个体缔结的社会组织里,道理同样适用。

有人的地方就有江湖。在封闭的组织内部,熵增原则会使组织趋于焕散,个体之间逐渐形成小圈子,产生利益团体。从这个角度来看,管理就是反抗熵增。对于管理者,弥合分歧,创造机会胜过解决问题。通过管理将资源要素流动起来,对抗组织的僵化,就是制造负熵流的能量。我们常见的内部轮岗,组织扁平化都是保持组织活力的手段。

老子《道德经》曰:“无为而治”。无为并不是无所作为,而是不过分的干预,充分发挥人的积极性,这与让要素流动以对抗组织熵增的理念不谋而合,乃是大智慧。

从熵看贸易Z

贸易是国家个体与外界的能量交换。200年前,大卫.李嘉图的比较优势理论认为:资源禀赋的不同,产生了比较优势,各国交换比较优势就能互利共赢。在农业社会,这套理论是行的通的。简言之,老天爷赏饭吃,大家各取所需各自安好。

然而,200年过去了,人类经历了工业社会,进入了信息社会,世界天翻地覆。

人们发现,自然禀赋不再成为生产的决定因素,哪怕在贫瘠的土地上围起一个铁皮厂房,人可以通过自己努力创造出比农业社会大的多的价值。这一阶段,国家体制、国民性格、人口红利、工程师红利超越自然禀赋成为发展中更重要的因素。简言之,我命由我不由天,撸起袖子加油干。

中国被推向历史前台。

美国猛然间发现,各种红利加持下的中国,正成长为如黑洞般的负熵吸收体,而且还在不断扩张,自己却慢慢成了个空心的胖子。因而,遏制中国成了当务之急。贸易Z只是幌子,技术封锁、经济和地缘上的孤立才是美国的獠牙。

理解了吧,近年来针对中国的地缘争端层出不穷,最近的参见6月的香港,谁是幕后推手一目了然。

产业链全球化,中美经济更是高度交融。强行割裂产业要素的流动,只会损害双方利益。正所谓,合则两利,斗则俱伤。美国怕不是不知道,而是没办法。

相反,中国的应对策略则是技术升级,全面的对外开放和一带一。你封锁我,我就自己找出路。

从熵的角度来看,一个系统越开放,要素越能与外界交换流动,这个系统就越具生命力。中国以开放应对美国的孤立,理论上更具生命力。当然美国并不会坐以待毙。

在国家利益的战场上,中美的博弈才刚刚开始且会长期存续,不因任何个人或体制改变,而中国的策略将会有更大的胜算。

04.地球生态

造物主的迷思

上帝说,要有光,于是,就有了光。生命,真的是上帝的宠儿吗?我们开个脑洞,生命更像是造物主专门设计出来的用于加速熵增的引擎——当自组织系统持续存在时,它们产生熵的速度,比自然产生熵的速度更快。

比如食物链中,一个人一年吃掉的300条鱼,这些鱼吃掉了90000只青蛙,这些青蛙吃掉2700万蚂蚱,这些蚂蚱吃的1000吨的青草。能量不断通过有机体,进入的时候处于较高级别,离开同一系统时候处于更混乱的状态,在这个过程中,80%的能量都以热量形式耗散在自然中。这样的熵增效率比自然产生不止高了一个数量级。

讽刺的是,自诩上帝之子的人类正是这个引擎的核心动力,我们站在食物链之巅,使用了绝大多数的能源,向外输出热量、污染、战争,更别提我们有一键毁灭地球的热核武器。

天地不仁,以万物为刍狗。达摩克利斯之剑高悬,人类或许只是上帝手下执行熵律的执剑者。

地球是只兔子

地球利用太阳降低自身的熵,这就是万物生长的秘密。

地球上亿万生物体低熵的来源最终还得归结到太阳。地球白天从太阳得到高能的光子,到了晚上,又以红外辐射的方式,将能量返回到太空中。

将视野拉高,我们可以把地球看做一个生物体,从太阳捕捉高能粒子(负熵),维持自身所需,再将热量(高熵)以辐射排出。上帝眼中,地球不过是一只被豢养的兔子。

05.星际宇宙

死神永生

在一个孤立系统中,熵总是朝着最大化发展,生命只是在这个不断走向混乱的大局中产生的局部有序。但作为最终系统的宇宙,熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡,这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在,这就是热寂。

我理解的热寂,是绝对的平衡态,系统在最稳定的同时,也达到了最终的死亡形态,按佛学来说就是涅槃。

刘慈欣《三体3:死神永生》结局中提到:归零者选择重启宇宙,让所有小宇宙归还物质给大宇宙,再将一切都归零为奇点,通过大爆炸回归田园时代。归零即热寂,当熵统治宇宙,死神永生。至于归零后的重启,涅槃后的重生,可能只能是存在于每个人的心里的美好愿望。

06.世界观的改造

经典物理学的坍塌

牛顿力学体系的建立,标志着经典物理学的诞生。经典物理学认为:了解物质前一刻的运动状态,就可以推出下一刻的运动状态,把整个宇宙的每一个粒子的运动状态确定以后,就可以推出下一刻的运动状态。基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的。

然而,随着热力学和量子力学理论的发展,熵的不可逆和微观世界测不准原理相继提出,都与可逆的、强调因果律的经典物理学之间存在着深刻的内在矛盾。

陷我们于无知的恰恰是我们的已知。真实世界远比经典物理所展示的世界复杂的多。曾经牢不可摧的经典物理学大厦上乌云密布,终于在一片电闪雷鸣中轰然倒塌,现代物理学在废墟里重生。

不甘心的物理学家

死神终将永生。多么令人绝望的未来,人类悲从中来,然而科学家并不准备坐以待毙。

从试图制造永动机到麦克斯韦妖的提出,科学家们在推翻热力学第二定律的道路上付出了卓绝的努力。然而铁律面前,至今无人能撼一二。

尾声

人法地,地法天,天法道,道法自然。熵是自然,负熵也是自然。熵律揭示的残酷结局并不妨碍人们对桃花源的追寻,在那里破镜可以重圆,覆水得收,白发复红颜。精神家园的找寻可以徒劳,但追求真理的脚步永不停歇!

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