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诗意的宇宙之熵

诗意的宇宙之熵

作者: 建东在线 | 来源:发表于2019-12-08 20:36 被阅读0次

宇宙的一切现象都与原子活动有关,但我们无法准确了解,只好抓住概率这跟救命稻草。

时间流逝:保持事物特定状态的方式很少,但摧毁它的方式很多。面包里水分子蒸发的概率比乖乖留在原地要高得多,水分子扩散的方式多重多样,总之面包变干的概率是百分之百。

玻尔兹曼天才的创造在于借助人类常识和概率阐释现在与未来的区别。我们对于现在的了解超过我们对于未来的了解。现在的面包是新鲜的,我们能够调动各种感官来确认这一点。但是当我们想象未来时,却束手无策,因为我们不知道原子将如何运动。对于这种与日俱增或不增不减且难以言说的混乱,玻尔兹曼找到了一个物理量——这个量明确地表明了有多少关于原子运动的信息是我们所不知道的,叫作熵。

黑色的胡子其实也处于一种特殊的状态中。一根胡须之所以是黑色或金色的,是因为须根里的色素细胞具有染色的功能。为了保持这种细胞的活性,需要海量的化学反应参与其中。只要有一处出错,整个系统就会瘫痪。当毛发变白的时候,我们就失去了对系统的掌握,熵就会增大:胡子就从一个出现概率低的状态转向了出现概率高的状态。总之,胡子的色素细胞完成使命的概率要比它失灵的概率低得多。这就好比彩票的六个号码全中的概率是最低的。

存在概率低的状态消失后,存在概率高的状态就会出现。一种状态存在的概率越低,它的稳定性就越低;一种状态存在的概率越高,它就越稳定,回到原来状态的可能性就越小。当这种变化只能不断向前而无法逆转的时候,我们就会感受到时间的流逝。

要是人类能够将宇宙中发生的一切过程都逆转的话,时间对我们来说就没有那么重要了。因为,这样我们就可以使一切都回归到它们曾经的状态,也就完全无法区分过去与现在了。这样一来,或许真的就会有“神”游离于时间之外。不过我们人类仍将被困在时间之中,因为我们无法掌控大多数事件,甚至无法预测那些事件能否发生。

时间之谜的背后是小概率事件——是各种原子无法被预测的舞蹈。这就解释了为什么爱因斯坦将人们区分过去、现在与未来视作一种幻想。因为爱因斯坦坚信偶然事件是完全不存在的,他是一名决定论者。他相信,世间一切事物的发生都是由自然法则提前设定好的。他认为,只是因为我们对这一过程缺乏全面的了解,所以才会觉得时间在流逝。

人类往往难以反驳决定论者的观点,因为他们站在了上帝视角。但是认同这种观点又能带来什么呢?毕竟,我们是以人类的眼光去理解世界的,而作为人类,在很大程度上就处于这种对世界的无知状态。不过,通过玻尔兹曼的帮助,我们已经能精确地定义这种无知状态了:熵越大,我们所不知道的信息就越多,重现过去的难度就越大,我们在时间面前就越显得弱小无力。

既然我们无法掌控时间,事物就会走上由小概率状态转变为大概率状态的轨道,没有任何回还的余地。特殊的状态将会被更加普遍的状态淹没,“从前、过去”就永远不会再回来。虽然生命体拥有对抗时光消逝的能力,但这种对抗也持续不了多久。无论如何,在生存的过程中,生命体的有序状态都会渐渐消逝。所谓熵只会增大不会减小,就是对这种现象的解释。物理学家称之为“热力学第二定律”,其内涵是孤立系统的熵永远不会自动减少,小概率事件只会渐渐让位于大概率事件。到目前为止,从未有任何违背这一定律的现象出现。

在我们阻止自身衰老的同时,一定在别处制造了更大的无序。我们需要饮食和呼吸,吃进去的面包和苹果的状态比我们排泄出来的更有序。我们每天为了再生零点零几克的细胞,需要消耗的食物和水多达几千克。此外,人体器官每天还需要消耗足足1500升的氧气才能将食物转化为二氧化碳、水和热量。所以,在再生有序结构物质的过程中,我们将几十万倍的物质从特殊的状态转化为普遍的状态,从极小概率的状态转变为更大概率的状态。人类在世界上的每一天,都会增加周围环境的熵。人类的活动使地球上的熵增加,而植物的活动使整个太阳系的熵增加。

在宇宙刚刚形成不久的时候,产生的物质就已非常有序地均匀地分布其间,从而对抗引力的作用。这一点我们可以从宇宙微波背景辐射中推测出来,这些辐射是在大爆炸30万年以后原子形成的过程中发散出来的。鉴于宇宙就像气球一样不断膨胀,所有物质之间的距离都越来越远,这些物质就没有凝聚成黑洞,而形成黑洞是比均匀分布更加无序的状态。正因如此,星际云、各大星系、所有恒星包括我们的太阳、植物和黑色的胡子才得以出现。

这是一个关于低概率事件的无底洞,一个不可思议的深渊。宇宙中有人类,这是个不可思议的事实,只能通过更古老且更加惊人的事物才能解释。在过往的时间长河中溯流而上,越往回走,宇宙的状态就越不可思议。

如今的宇宙并不是由大概率状态而来的,或者说不是由混沌而来的,而恰恰是从极低概率的状态中演化而来的。混沌恐怕会终于黑洞,而宇宙的开端却充满了井井有条的秩序。人们很容易如此反驳:宇宙中的一切事物——各大星系、各个恒星和行星以及生命本身,它们看起来都是有序的,而这一切都是几十亿年的历史发展而来的结果。但这种反驳恰恰是错误的。我们今天所见的秩序仅仅是世界开端时更大秩序的一抹余晖。如果没有这最初始的秩序,我们如今在宇宙中发现的各种秩序和结构是断不会出现的。所有这些有序,恰恰是以其他地方的无序为代价的。熵的总量随着时间流逝而增加,整个宇宙也从最初概率极低的状态发展为概率更高的状态,也就是更加无序的状态。

牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)曾经通过计算得出,如今这样的宇宙形成概率到底有多低。他运算得出的概率为10(10123)分之一。这个数字如果用常规形式写到纸上,这张纸的长度都得有好几个光年,而且,整张纸几乎都会被小数点后的零填满。只有坐上宇宙飞船冲向这张纸最后一行的末端,才能发现一个不是零的数字。可见,这个宇宙诞生的概率低到了极点,而宇宙开端的秩序高出了天际。不过,这种秩序从何而来?目前还没有人敢妄作揣测,即便是最天才的理论家也对此保持缄默。

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