牛逼的熵增原理

牛逼的熵增原理

最近做一個有關乙烯廠蒸汽透平機的項目，稍微深鑽了一些相關的背景知識，回到了二十多年前大學上工程熱力學時學過的焓熵熱的概念，特別讀到當時學的似懂非懂而又有點著迷以及後來在控製論信息論課程甚至自己老本行故障診斷領域時常碰到的並喜歡借此搞點唬人文章的熵的概念的時候，就越看越帶勁了。昨天下午和公司裏麵兩個朋友打乒乓球，席間休息時看他們倆把乒乓球在台上打來打去，回想到最近我們三個之間的狀態變化，突然意識到那種結果就是熵增的現象。晚上下班回家吃晚飯，是大家都喜歡的麵條，正看女兒吃的津津有味，突然間她問我要吃獨頭蒜，那個連我嚼起來都辣的流眼淚的家夥，我不禁好笑，看來她的口味腸胃已經和我們陝西人非常相像了。然後又聽說Teddy在我回來之前已經美美吃完了一大碗西紅柿雞蛋麵，而自己盆裏的牛肉狗食已經三天三夜沒理睬了。聯想到最近Teddy越來越愛吃麵食，什麽麵包，麵條，蒸饃，燒餅等的隻要是我們愛吃的，他都愛吃，反而自己的牛肉雞肉狗食不那麽喜歡了。我突然又意識到這一切的變化也正是書本上所描述的熵增原理的結果。我想照此過程下去，過不了多久Teddy在吃麵時也要加上油潑辣子和糖蒜了。
 

熵，英文單詞是Entropy，熱力學中用字母S表示。熵在熱力學中表示為熱能轉換為機械功過程中未被利用的部分，既餘熱，廢能或者無效能量。熵另外的英文字麵意思是Lackof order or predictability（缺乏秩序或者不可預測），gradual declineinto disorder（逐漸趨向於紊亂），deterioration（惡化）,degeneration（退化），degradation（降級）,collapse（崩潰），等等，大概都代表一般意義上不好的現象。在工程中熵的大小被用來表示一個係統的不確定性或隨機性。比如信息論中借用熵的概念來定義信息量的測度。信息本來是個很抽象的概念，人們常常說信息很多，或者信息較少，但卻很難說清楚信息到底有多少。比如一本五十萬字的中文書到底有多少信息量。直到1948年，信息論創始人Shannon（香農）首次提出了“信息熵”的概念，才解決了對信息的量化度量問題。香農用這個從工程熱力學中借用過來的熵的定義來描述信息源的不確定度。一個事件越不可能發生，它發生後提供的信息就越多。比如爆炸性新聞，是說一個不太可能的或隨機的事件突然發生了，由此產生的信息量成爆炸性趨勢傳播。熵的概念最早由德國物理學家魯道夫-克勞修斯1850提出，克勞修斯提出熵概念不久奧地利大物理學家波爾茲曼驚人地從統計學上給出了熵的計算公式S=k.Ln(W)，其中k是玻爾茲曼常數，W代表微觀狀態出現的可能概率。這個公式把人們對宏觀觀察到的熵的量變和微觀看不到的熵的本因聯係起來，這個和愛因斯坦質能方程幾乎齊名的簡單方程使得熵產生了巨大的威力。

熵增原理也是由克勞修斯最先提出，現在作為統治宇宙萬物的熱力學第二基本定律，是說“一個孤立的熱力學係統的熵不會減少“。也就是說孤立係統的熵值隻會增加或者保持不變，保持不變的情況是在可逆過程下，是一種最理想的狀況，而現實世界全是不可逆過程，係統隻有熵的增加。克勞修斯原話是“不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響”，這類似於說水不可能自然而然地從低處流往高處一樣。1851年英國的開爾文勳爵的另一個表述是說“不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響”，這類似於說世界上不可能有一個機器把吸收的能量全部轉化為有用功，能量變成有用功過程中總有損失，或者說不可能做出永動機，等等。克勞修斯和開爾文的各自表述很快被證明是完全等價的，根本說的一回事情。都表明了在宇宙自然過程中，一個孤立係統的熵（即“總混亂度”）不會減小。即係統總是趨於混亂，無序，不確定和不可預測的。最簡單的例子就是一杯熱水和一杯冷水混合，從微觀觀察，原理熱水中的水分子運動頻繁，而冷水中的水分子運動不頻繁，而混合之後的所有水分子運動都相對頻繁，整體的混亂無序程度大過原來各自的混亂無序程度之和，也就是玻爾茲曼方程中的W增加了，所以最後係統的熵變大，最終係統的溫度達到了平衡統一，這是不可逆轉的自然規律。逆轉過去，即一杯水自動分成冷熱兩個有規律的區域是不可能的。另一個簡單的例子就是洗一副撲克牌，一次洗牌完畢，所有牌按順序排列的可能性遠遠小於不按順序排列的可能性。這兩個簡單例子都說明自然界中無序混亂的可能性是遠遠大於有序規則的可能性，熵增原理啟示我們說世界自然而然地是向越來越無序混亂的方向奔走發展變化的，不以人的行為意誌改變，因為人就在地球宇宙係統之中，就像水杯中一個個分子一樣，不可能改變大的係統方向和趨勢。

主宰宇宙世界的熱力學三大定律中的第三定律是說在絕對零度（零開爾文度，或零下-273攝氏度）係統的熵值最小，所以和第二定律都是講熵的現象。而熱力學第一定律是講能量守恒定律，即在一個封閉係統中，能量既不可能產生也不可能消失，但可以相互轉換，總體的能量永遠是是守恒的，這個所有人都比較好理解一些。能量和物質的分別守恒因為愛因斯坦的質能方程E=mc^2而變得統一，質能方程表示能量就是物質，物質也是能量，而且物質能量可以相互轉換。原子彈就是因此而生的，一個拳頭大小的鈾全部變成能量可以釋放出幾十萬噸煤燃燒的全部熱量。中國人最早發現了物質守恒轉換的自然規律，代表中國古文化精髓的八卦陰陽魚其實正是表現了宇宙界能量物質守恒轉換統一的基本定律，隻可惜中國人的科學一直不太好沒能給出數學上的方程和定律，而且不知道什麽原因還被韓國人把這個寶貝掛在了自家的國旗上而成他們的象征。

熱力學第一定律給出了封閉係統中物質能量守恒的規律，而第二定律，即熵增原理則給出了係統發展的趨勢和方向。世間幾乎的一切的信息，物質，能量及其變化似乎都可以被這個定律所解釋。現實世界的熵增表明了任何宇宙間的係統都傾向於從有序向無序，有規律向無規律，有秩序向無秩序發展。所以任何世間的無序，混亂，甚至變態都可以從認為是熵增的原因。
比如前麵的我們三個人A，B，C打乒乓球。開始A最厲害，成績順序是ABC，最有序的。後來通過乒乓球能量的相互傳遞慢慢出現ACB，BAC，CBA，CAB,，BCA的成績排序，無序混亂增加，每次結果難以預料，所以乒乓球台邊係統的熵增。我們小狗剛到家時比較自覺，隻吃自己的食物，還有規律。後來慢慢的不自覺，不守秩序，無規則，亂套了，開始喜歡吃桌上的食物，再後來開始喜歡光吃麵食還要油鹽醬醋，有點變態了，這從有序到無序再到亂套明顯也是熵增原理的結果。
上周美國超級法院九個大法官五比四通過的全美同性戀合法化引起軒然大波，我在廣播上第一聽到這個消息一下子感覺人類的關係熵也增加了。同性戀合法化和全球化的現象原來在我眼裏好像不可思議，現在想起來好像又自然而然。回頭看我們社會係統的感情狀態發展經曆了大概如下順序的巨大變化：感情專一的戀愛=>瘋狂更換對象的戀愛=>同性戀的戀愛=>不止兩個人不限性別的戀愛=>人和機器的戀愛（比如最近日本人和機器人的結婚）等等，這種趨勢明確地展示人類社會關係從有序到無序，從有規則到無規則，從有約束到無約束再到變態甚至多態的熵增過程。當我給辦公室同事講述這個現象時，他笑著說未來美國大法官可能還會批準人和貓狗動物的婚姻合法化。想想看，現實的世界亂象和聖經上預言的人類社會最後的光景驚人的吻合。
目前中東的伊斯蘭國ISIS的狀況也顯示出熵增的過程。原先薩達姆鐵腕強權下的庫爾德人伊拉克人都被馴服地貼貼的，後來美國人捅馬蜂窩，幹掉薩達姆以為中東可以更加太平，誰知突然崛起了比薩達姆更具威脅更加危險的ISIS，中東局勢更加混亂無序。連公司內部的Email這兩天都不斷提醒大家要預防ISIS在七月四日美國國慶節可能發動的本土襲擊，這種從中東社會動蕩無序混亂局勢蔓延到美國境內的緊張恐慌現象完全是熵增的原因。

在物理學上，熵增意味著世界的發展隻有一個方向，這個方向被稱為時間箭頭（The Arrow of Time）。在這個宇宙中熵與時間密切相關，如果時間停止“流動”，熵增也就無從談起。在宇宙學上，熵增意味著宇宙會熱死 (Heat death of the Universe)，或稱熱寂。因為熵增意味著宇宙中的有效能量越來越少，無效能量越來越多。直到有一天，所有的有效能量都變成無效能量，那時將不再有任何能量轉化，這就叫宇宙的”熱寂“。宇宙大爆炸於一個奇點，然後不斷膨脹，最後終於熱寂。
當下全球的種種環境問題：空氣汙染、水汙染、冰山融化、氣候變暖，生物滅絕，大概都可以歸結為熵（廢能）的增加。人類從原子能核電站產生巨大能量的同時，又帶來不可消除的核輻射和核汙染。人類大腦也處於熵增過程。比如計算機係統是高度有序的係統，維持計算機係統的秩序，需要大量人類思維的輸入。根據熵增原理，計算機係統越有序，對應的人類思維就越無序。這解釋了為什麽世界上一些最好的科學家和程序員，在世人眼裏，都有點不太正常，甚至行為混亂。這還解釋了，為什麽工業時代和信息時代的到來，伴隨著人類的心理和精神疾病患者激增。互聯網時代到來引起的信息量急劇膨脹，即信息熵增加，是最為明顯的例子。人類社會物質世界幾乎任何一個現象最後都可以歸結為熵增原理。從美國的Twitter到中國的微信，從宗教約束到自由平等，從人口增加和生物滅絕，從貨幣發行量大漲到價值大跌，從股票市場上竄下跳到經濟崩潰，從以前的環境優美到目前的環境惡化，從人類心理思維價值觀上的原始自然到當下極度紊亂等等都是這樣的例子。
熵增原理的哲學啟示是“世界是殘缺不全的，世上沒有完美的事情，不完美的人生是自然而然的，…”所以，對個人而言，簡單，樂觀，從容，淡定，不衝動，不急躁，不頭腦發熱，並有序地生活，會減輕自身熵增過快的趨勢，從而使人生的不完美更接近完美一些。