宇宙的終極規則

熵：宇宙的終極規則

阮一峰

（IT專欄作者）

有人曾問我：「成年後，有沒有書籍改變過你的世界觀？」我想了想，還真有。

那時我已經工作好幾年了，偶然在圖書館翻到一本舊書《熵：一種新的世界觀》（上海譯文出版社，1987）。那是本科普讀物，介紹物理學概念「熵」。中學畢業後，我再沒碰過物理學，但沒想到讀完這本書以後，我看待世界的眼光都變了。

「熵」這個概念非常簡單，很容易理解，但又異常強大，可以解釋很多事情。這篇文章，我就來談談，為什麼你應該懂得熵是什麼。它可能也會改變你的世界觀。

為了理解熵，必須講一點物理學。

19世紀，物理學家開始認識到，世界的動力是能量，並且提出「能量守恆定律」，即能量的總和是不變的。但是，有一個現象讓他們很困惑。物理學家發現，能量無法百分百地轉換。比如，蒸汽機使用的是熱能，將其轉換為推動機器的機械能。這個過程中，總是有一些熱能損耗掉，無法完全轉變為機械能。

一開始，物理學家以為這是技術水平不高導致的，但後來發現，技術再進步，也無法將能量損耗降到零。他們就將那些在能量轉換過程中浪費掉的、無法再利用的能量稱為熵。後來，這個概念被總結成了「熱力學第二定律」：能量轉換總是會產生熵，如果是封閉系統，所有能量最終都會變成熵。

熵既然是能量，為什麼無法利用？它又是怎麼產生的？為什麼所有能量最後都會變成熵？這些問題我想了很久。物理學家有很多種解釋，有一種我覺得最容易懂：能量轉換的時候，大部分能量會轉換成預先設定的狀態，比如熱能變成機械能、電能變成光能。但是，就像細胞突變那樣，還有一部分能量會生成新的狀態。這部分能量就是熵。由於狀態不同，所以很難利用，除非外部注入新的能量，專門處理熵。

總之，能量轉換會創造出新的狀態，熵就是進入這些狀態的能量。狀態多意味著什麼？狀態多，就是可能性多，表示比較混亂。因此，上面結論的另一種表達是：能量轉換會讓系統的混亂度增加。熵就是系統的混亂度。熵低則混亂度低，熵高則混亂度高。

轉換的能量越大，創造出的新狀態就會越多，因此，高能量系統不如低能量系統穩定。而且，凡是運動的系統都會有能量轉換，熱力學第二定律就是在說，所有封閉系統最終都會趨向混亂度最大的狀態，除非外部注入能量。

熵讓我理解了一件事：如果不施加外力影響，事物永遠向著更混亂的狀態發展。比如，房間如果沒人打掃，只會越來越亂，不可能越來越乾淨。為什麼「世間好物不堅牢，彩雲易散琉璃脆」？就是因為事物維持美好的狀態是需要能量的，如果沒有能量輸入，美好的狀態就會結束。

這就是我的世界觀的變化。我從此認識到，人類社會並非一定會變得更進步更文明。相反，人類如同宇宙的其他事物一樣，常態和最終命運一定會更混亂和無序。過去五千年，人類文明的進步只是因為人類學會利用外部能量（牲畜、火種、水力等等）。越來越多的能量注入，使得人類社會向著文明有序的方向發展。

工業革命以後，人類社會的進步速度加快了，變得更加先進有序，消耗的能量也指數級地增長：水力不夠了用煤炭，煤炭不夠了用石油，石油不夠了用核能。能量消耗越大，就會產生越多的熵。因此，人類社會始終處於一種矛盾狀態：整個社會變得更加有序和嚴密的同時，無序和混亂也在暗處不斷滋長。

我們只是依靠更大的能量輸入來壓制熵的累積。不斷增加的熵，正在各種方面爆發出來：垃圾污染、地球變暖、土地沙化、PM2.5、物種滅絕??甚至心理疾病、孤獨感和疏離感的暴增，我認為都是熵的增加對人類精神造成的結果。

我們需要能量，讓世界變得有秩序，但這樣是有代價的。物理學告訴我們，沒有辦法消除熵和混亂，我們只是讓某些局部變得更有秩序，把混亂轉移到另一些領域。

人類社會正在加速發展。表面上，我們正在經歷一個減熵過程，自動化帶來了便捷，一切變得越來越有秩序。但是，能量消耗也在同步放大，為了解決越來越多的熵，我們不得不尋找更多的能量，這又導致熵的進一步增加，從而陷入惡性循環。

迄今為止，人類一直能夠找到足夠的能量，解決熵帶來的混亂。但是，這種解決方式正變得捉襟見肘。如果我們繼續像現在這樣加速發展，那麼終有一天會出現能量缺口，地球上的能量不足以解決熵。那時一切就會發生逆轉，彷彿細小的裂縫演變成巨大的雪崩，秩序開始崩塌，世界走向混亂。

刊於《財新周刊》2017年第17期。

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