姓名：刘敏提 学号：20021110076 学院：电子工程学院
转载自：知乎YJango
【嵌牛导读】我们知道能量是守恒的，不能被创造或摧毁。可既然这样，为什么我们不能像能量一样永恒，反而注定要迈向死亡呢？
【嵌牛鼻子】时间之矢、熵增定律、麦克斯韦妖、生命是什么
【嵌牛提问】生命是什么？生命的敌人是什么？人类的未来会怎样？为什么时间有方向？若想造出人工智能生命，需要具备什么能力？信息究竟有多重要？
【嵌牛正文】
什么是热力学第二定律
一、“时间之矢”
想象一堆积木，每个积木相当于一个粒子，而由积木搭成的各种形状就是我们，纵然每个积木都可以永恒，可积木所搭建的形状一旦改变，也就意味着我们的死亡。
而这些积木又在时刻运动着，假设 3 个积木在左，1 个积木在右的形状（只考虑积木在做在右的个数）就是我们，积木的无规则运动会使形状如何改变呢？
这堆积木一共可以形成 5 种宏观态（形状），每种宏观态对应的微观态的数量并不相同。 这里宏观态是指不考虑积木的差异，只考虑整体的状态，而微观态则是考虑积木差异的状态。
可以看出左右积木数量相等的宏观态的可能性最大，而我们自身宏观形态被维持的概率只有 1/4，不过当积木的数量足够多时，我们自身形状被改变的趋势几乎就是必然的了。
这种，自发向对应微观态数量最多的宏观态改变的现象就是热力学第二定律。又因为这种改变无法自行逆转，故又称时间之矢。而这种自发改变的趋势，就是我们无法像能量一样永恒的原因。
二、“熵增定律”
明白信息熵之后，就可以用熵来理解这种现象。
所有积木都在左侧的宏观态只对应 1 种微观态，没有任何不确定性，我们称这个宏观态的熵为 0；而对应微观态数量越多，宏观态具体是哪一种微状态的不确定性越大，我们就称这个宏观态的熵越高。因此热力学第二定律也叫熵增定律，意为：孤立系统的熵只增不减 宏观态达到熵最大状态（两边积木数量相等）时也叫热平衡。
熵增定律常被描述为：事物会从有序状态向无序状态发展。
但这并非由什么外力所引起的，房间自发越变越乱的原因单纯只是因为我们把它弄乱（宏观态）的方式比把它弄整齐（宏观态）的方式要多得多。
注意，这里的无序并不是我们日常生活中所理解的房间的排列方式无序，而是房间乱（宏观态）的可能方式有很多（对应的可能微观态数量很多）。
因为积木每种排列方式（微观态）的概率都是相同的，并不会说哪个杂乱的方式更有可能发生；是不同数量的微观态共同定义的宏观态们之间的概率不同。所以学界慢慢抛弃了“熵是描述无序”的这种解释。因为它极具误导性。
三、“能量耗散”
熵增定律同样适用于能量。
虽然能量不会消失，但能量的转移才可以造成改变（做功），而转移需要有能量差。可当一个系统的能量分布像积木分布一样两边都平衡时，也就没有能量可以转移。因此根据做功能力，能量也有高低品质之分，而热力学熵就可用于描述系统自发做功的能力（能量的品质）。
于是就有了克劳修斯（对热力学第二定律）的表述：不可能把热量（能量的一种）从低温物体（低能量）传向高温物体（高能量）而不引起其它变化（能量和物质交换）。
用沙丘来类比的话，沙子（能量）会摊成平缓的沙丘，而不会自己聚成一个高高的砂塔，除非我们消耗能量把它堆砌成沙塔（有外界对它做功），可不久它又会摊成沙丘。
由于对我们而言，宏观态的改变才算改变，因此若把整个宇宙视为一个宏观态，它也会无法避免的朝熵最大的状态发展，当它达到熵最大的状态时，将不会再有任何能量的转移，也不会有任何宏观态的改变。而宇宙的这种状态就被叫做热寂，这是对我们而言，宇宙终结的诅咒。面对我们的难道真的只有终结这一条路吗？
四、“麦克斯韦妖”
为打破这个诅咒，麦克斯韦提出了一种假想：
既然分子在做无规则运动，那想象有一个小妖（麦克斯韦妖）可以感知分子的运动，控制着门的开关，当带有更多能量的分子要运动到左边时就开门，带有较少能量的分子要运动到右边时也开门，其他情况都关门。这样就可以自发的让系统（宏观态）的熵降低，左右两边会产生可用于做功的能量差，那岂不是能造出永动机？
这个假想困扰了科学家一百年，然而麦克斯韦妖最终还是未能打破诅咒，因为人们忽略了一点：感知到的分子运动就是信息。
信息和熵的关系，当观察者对某事件一无所知时，信息熵和信息，数量相等，意义相反，消除信息熵等于获取信息；
同时，信息熵和热力学熵二者可以相互转换，1 bit 的信息熵就等于 k ln 2 焦耳/温度的热力学熵。麦克斯韦妖其实是利用信息来降低信息熵从而降低热力学熵。然而信息的获取不是免费的，想要重置（获取或删除） 1 bit 的信息，理论上至少需要 k T ln 2 焦耳的能量（证明很简单，在辅助材料[1] 中）。
注意到这其中的关系了吗？ 能量差需要低熵，而低熵需要信息，可信息又需要能量差。也就是说，麦克斯韦妖若想用信息获取能量，就不得不先用外界的能量来获得信息。也就不再是孤立系统，依然没有违背热力学第二定律。
科学家一百年都没有想明白其中道理的原因之一是因为我们自身的思考一直在向系统中传递信息，而你就是这个麦克斯韦妖。
五、“什么是生命”
麦克斯韦妖没有打破诅咒，但它却揭示生命的本质。随后由薛定谔在 1943 年提出：生命以负熵为食。
一直以来， 不管从组成，还是从功能的角度，人们都无法找出完美划分生命与非生命的边界。因为组成生命的物质都是非生命，非生命也可以进行物质能量交换，而生命死亡后又会被归为非生命，不过个体虽然会死亡，其遗传物质却能延续，但要说生命就是遗传物质，这好比是说电脑就是硬盘，而要说生命就是遗传物质上的信息，虽然正确，却又没什么用，因为信息可以是任何事情，说生命是信息好比在说生命是任何事情。
组成：是否具有有机物，遗传物质等
功能：是否可以移动，呼吸，进食，新陈代谢、生长，变异，繁殖等
然而薛定谔的定义却能将一切都解释的通，生命是一种很特殊的状态维持方式，它并不像金刚石这种本身结构就很稳定，可以被动的维持自身状态，而是主动的在用信息来减熵，从而维持自身状态。
这也就是病毒有意思的地方，在未入侵能为其提供能量支持的宿主细胞之前，它以非生命的形式来维持自身状态，而入侵之后，它又是以生命的形式维持状态。
依照这种定义，不管是否是碳基，是否是天然形成，只要满足用信息来抗衡熵增从而维持自身状态的系统就可被视为生命。
你一定会想，我们岂不是可以用专门处理信息的计算机造出人工智能生命？ 然而关键的问题就在这里，计算机的信息是由人类提供的。如果撤掉人类的所有支持，就好像回到宇宙生命形成之前，计算机又要怎样才能自己获得信息呢？
六、辅助材料
热力学熵
Entropy is not disorder by Khutoryansky
Why Information is Entropyby Khutoryansky
What is entropy? by Jeff Phillips
信息熵
Information entropy by Khan Academy
Information Theory A Tutorial Introduction by Stone James [1]
Information theory: Entropy by Zinnia Jones
How Much Information? by Veritasium
生命是什么
《生命的奇迹》BBC 纪录片 Brian Edward Cox
《生命的跃升》Nick Lane
《自私的基因》Richard Dawkins
《生命是什么》Schrödinger
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