一條令人感到絕望的物理定律, 物理學家: 寧願不要發現它

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透過結合實驗和數學，伽利略開創了科學研究的先河，從此物理學走上了快速發展的道路。此後，牛頓發揚光大，建立了牛頓力學，成為經典物理學的開創者，他也被冠以人類史上最偉大的

物理學家

。

在牛頓之後，又有麥克斯韋、普朗克、愛因斯坦、玻爾、狄拉克、費曼、薛定諤等一眾物理學家，發現了一系列新的物理學定律，極大改變了人類對於世界的認識。不僅如此，人類利用物理學定律發展出了現代科技文明，徹底革新了人類的生活。

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然而，物理學定律在造福人類的同時，有一條物理定律卻給人類帶了絕望，以致於有的物理學家發出感嘆，寧願不要發現它。這條定律預示著宇宙必然會走向不可逆轉的毀滅，它就是熵增定律。那麼，熵增定律是怎麼來的呢？

這還要從

熱力學

的發展說起。大量的實驗表明，能量是守恆的，它們不會憑空出現和消失，只會在不同形式之間轉換，這就是能量守恆定律，也稱熱力學第一定律。這一定律的誕生，讓不消耗能量卻能做功的永動機化為泡影。

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此後，又有人設想建造另一種永動機，這種機器可以從自然界中吸收熱量，然後以此來驅動機器做功，這並不違背能量守恆定律。然而，無論怎麼嘗試，這類永動機也是沒有造出來，原因在於還有未知的熱力學定律在起作用。

1824年，物理學家卡諾在研究熱機時發現，熱量並不能被百分百轉換為能量，其熱效率正相關於高溫和低溫熱源的溫差。為了定量描述熱機的能量耗散，克勞修斯在1865年引入了一個常數——熵。

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熵可以表徵無用能量的多少，無用能量越多，熵越大；有用能量越多，熵越小。熱機在執行過程中，會產生無用的熱量，例如，機械結構之間相互摩擦所產生的熱量，這些熱量不能用於做功，系統的熵會變得越來越大。

由此可見，能量的轉化和傳遞是有方向性的，低溫熱源的熱量不會自發地傳遞給高溫熱源，熱量不能自發並且全部轉化為功。因此，熵的值只會變得越來越大，並且是不可逆轉的，這就是熵增定律，亦稱熱力學第二定律，它表明第二類永動機也是不可能實現的。

1877年，物理學家玻爾茲曼進一步擴充套件了熵的概念。他發現，系統的熵與其微觀狀態數量有關。倘若系統的微觀狀態數量越多，意味著系統越混亂，表明熵值越大。一個系統的有序度只會自發地變得越來越低，熵會逐漸增加。

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那麼，為什麼熵增定律十分特殊？為什麼它可以預示宇宙的最終結局呢？

對於其他物理定律，它們都是關於時間對稱的，無論是時間正向還是逆向流逝，都沒有任何區別，例如，一顆小球從空中自由落體到達地面，如果從地面以小球的落地末速度，把小球豎直向上扔出，該小球又會到達原有的高度。

然而，熵增定律卻非常特殊，熵只能增大，水和乙醇混合後不會自發分離，玻璃打碎後也無法自動復原。熵增定律表明，時間的流逝方向是單一的，只能向前流逝，這是牛頓和愛因斯坦的物理學所無法解釋的。不僅如此，這條定律還設定好了宇宙的結局。

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宇宙誕生於138億年前的低熵狀態，隨著宇宙的演化，無序度越來越高，有用能量被逐漸消耗掉，宇宙的熵在不斷增大。雖然宇宙中形成了很多有序結構和低熵體，例如，恆星、星系和包括人類在內的地球生命，但這些都需要消耗宇宙的有用能來維持低熵狀態，所以總體上還是會導致整個宇宙的熵變大。

因此，宇宙之形成以來，就註定朝著熵最大的方向在演化。最終，行星會脫離原有的軌道並解體，原子四分五裂，質子發生衰變，黑洞蒸發殆盡，只留下光子以及輕子。

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宇宙遲早會迎來無序度最高、有用能耗盡的最大熵狀態，這就是熱寂的結局，預計時間是在10^1000年以後。當然，這個時間對於渺小的人類而言非常漫長，我們還有足夠的時間來保持低熵的狀態。