日常生活的单行道
几乎拍下任何东西再倒着播放,连小孩都能看出来。摔碎的杯子跳回桌上,烟雾倒灌回香烟,温热从凉空气流向热咖啡——这些看起来荒诞,尽管没有任何运动定律禁止它们。单看每个分子,它都乐意倒着跑。那么这支箭从何而来?它来自我们之前遇到的同一种计数。杯子破碎的微观状态多到数不清,杯子完好的却寥寥无几,于是分子的随机碰撞压倒性地把世界带向那些破碎的、铺开的、混杂的组态。这种统计上的倾斜,放大到万亿个粒子,就硬化成一条不可违逆的法则。
把第二定律说清楚
热力学第二定律可以用一句话说明:在任何真实过程中,宇宙的总熵都会增加;它绝不减少。这里的“宇宙”是个术语——它指的是你关心的那个系统*加上*它的环境,也就是能与它交换热和物质的世界其余部分。把世界分成系统与环境,正是让这条定律可用的记账技巧。系统自身的熵尽可以下降——水结冰、身体把自己组装起来——只要环境得到的*至少*同样多,于是总账仍在上升。
“自发”意为“自己就会发生”
一个自发过程,是指一旦开始,就能自行进行、无需被持续推动的过程——温暖房间里冰的融化、铁的生锈、香水在大厅里的飘散。“自发”说的是*方向*,而非*速度*:钻石此刻正在自发地变成石墨,只是慢得难以想象。第二定律给出了判定方向的总规则:一个变化只有在能提高宇宙总熵时,才可能自己发生。如果它会降低总熵,那么自发的反而是它的逆变化。
- 确定系统(你正在研究的那部分)和它的环境(与它接触的其余一切)。
- 先问系统的熵如何变化,再问环境的熵如何变化(通常是通过交换的热)。
- 把两者相加。如果总和上升,过程就在那个方向上是自发的。
这支箭最终停在哪里
每一个自发变化都是一个不可逆过程——它在宇宙中留下一道新熵的永久足迹,往后任何步骤都无法把它完全抹去。于是这支箭不断前进,直到再没有总熵可赚为止。到那一刻,宏观上一切都不再改变:温度已被抹平,压强已被均衡,浓度已被混匀。我们把这种状态称为热力学平衡,它不过就是在当前条件下总熵达到最大的状况。宇宙并非在“损失能量”的意义上衰竭——能量是守恒的——而是在把那份能量尽可能铺开的意义上趋于平静。