问题

能否尽量通俗地解释什么叫做熵?

回答
好的,咱们今天就来聊聊一个听起来有点儿“高大上”,但其实生活中处处可见的东西——熵。

你可能会想,这玩意儿听着就像是物理学里那种复杂的概念,离我们普通人太远了。其实不然,咱们一步一步来,你就会发现,熵这玩意儿,就像个“懒惰”的指示器,告诉我们事情会往哪个方向发展。

想象一下,你有一个整洁的房间。

衣服叠得方方正正,书本摆得齐齐整整,地板上连灰尘都没有。这时候,你的房间处于一种有序的状态。你可以很轻易地找到你想要的东西,你知道每样东西都在哪儿。

现在,你开始在这个房间里生活。你从衣柜里拿出衣服,穿上,然后随手一扔。你看了一本书,看完随手放在桌上,或者椅子上。你吃了点东西,零食包装袋随手丢在茶几上。你可能还会带朋友进来玩,大家嬉笑打闹,东西东一堆西一堆。

过几天,你再看看你的房间,它可能就变成了这样:

衣服堆在床上,椅子上,地上。
书本散落在各个角落。
零食袋、饮料瓶到处都是。
地板上落了灰,可能还有些头发丝。

这时候,你的房间就变得“混乱”了,或者说,变得“无序”了。

你现在想找那件你昨天穿过的T恤,可能得费一番功夫在衣服堆里翻找。你想找昨晚看完的那本书,可能得先清理一下桌子。

这就是熵在起作用。

简单来说,熵就是衡量一个系统“混乱程度”或者“无序程度”的指标。

熵低:代表系统有序,东西都在它们该在的地方,信息很集中,容易找到。
熵高:代表系统混乱,东西乱七八糟,信息分散,不容易找到。

你有没有发现一个规律?

你特意花时间去整理房间,让它变得有序,这需要你付出能量。你需要花费力气去叠衣服,去擦地,去摆放书本。而让房间变得混乱,你几乎不需要做什么,只要“顺其自然”地生活,它就会自己变乱。

这就是“熵增原理”——一个自然界的普遍规律。

自然界有一个天生的倾向,就是从有序走向无序。换句话说,熵总是倾向于增加的。

就像你的房间,你不去整理,它只会越来越乱,而不会自己变得整洁。就像一杯热水,放在那里,它自己会慢慢变凉,热量会散发到周围的空气中,空气会变得稍微暖一点点,而热水本身变得更“无序”——温度更低了,能量更分散了。

再举几个例子,让你感受一下这个“懒惰”的熵:

1. 墨水滴入清水: 一滴墨水滴入一杯清水中,刚开始墨水是聚集在一起的,非常有序。但很快,墨水会慢慢扩散,最终整杯水都会变成淡淡的颜色,墨水分子和水分子混合在一起,变得无序。你见过墨水会自动聚集成一滴并沉到底部的情况吗?不会。
2. 冰块融化: 一块冰块,水分子被固定在晶体结构中,非常有序。当它融化成水后,水分子可以自由地流动,相对来说就更无序了。水自然会融化成水,而水也不会自动结成冰块(除非你给它降温)。
3. 生命与死亡: 活着的生物,身体内部的各种分子、细胞都在有条不紊地工作,维持着高度的有序(低熵)。但生命终究会衰老、死亡,身体分解,回归到更无序的状态。
4. 信息丢失: 你写的一份重要文件,放在电脑里。如果你不定期备份,而硬盘突然坏了,你里面的信息就丢失了,变得“无序”,难以恢复。

那么,熵跟我们有什么关系呢?

其实,我们一直在和熵“作斗争”!

整理房间:就是为了对抗房间的熵增。
学习知识:把零散的信息组织起来,形成自己的理解,这是降低我们大脑的“信息熵”。
建造文明:盖房子、修路、生产各种工具,这些都是人类通过消耗能量,创造出局部有序(低熵)的结构,来对抗整个宇宙的熵增趋势。

但是,有一个关键点:

虽然我们能创造出局部的有序,但这个过程一定会消耗更多的能量,并且在更大范围内会产生更多的无序。

比如,你整理房间,消耗了你的体力(能量)。你建造一座城市,需要消耗大量的煤炭、石油等能源,这些能源燃烧后会产生更多的热量和废气,让周围的环境变得更无序。

所以,熵增原理并不是说我们不能创造有序,而是说创造有序是有代价的,而且总的来说,宇宙的“混乱”程度是不断增加的。

再深入一点点:

为什么有序会变成无序?

从微观上看,构成我们世界的粒子(比如分子、原子)并不是静止的,它们总是在不断地运动、碰撞。即使在一个看起来很“稳定”的系统里,这些粒子也在进行着无数次的随机运动。

对于一个有序的系统,它的粒子排列方式是比较单一的。比如,你把一堆积木整齐地码放好,只有一种(或者极少数几种)堆放方式是“整齐”的。

但对于一个无序的系统,粒子可以有无数种排列方式,而且这些排列方式出现的概率都差不多。比如,你把积木堆成一团,那堆积木可以有很多种“乱放”的方式。

所以,从概率上来说,一个系统从少数几种有序的状态,发展到数量更多的无序状态,是自然而然的事情。 就像抛硬币,你抛十次,可能出现十次正面(虽然概率很小),但更有可能出现正反面混合的情况,因为正反面混合的组合方式要远多于全正面的组合方式。

回到你房间的例子:

房间里所有的东西,都可以看作是由无数个微小的粒子组成的。当这些粒子(衣服、书本、灰尘)在房间里以各种随机的方式运动、组合时,出现“乱七八糟”状态的组合方式,远远多于出现“整整齐齐”状态的组合方式。

所以,熵,就像是宇宙赋予万物的一个“懒惰”的规则:

它让你房间自己变乱,让你热水自己变凉。
它让你努力去维持有序,而“顺其自然”就会走向混乱。
它告诉你,想变得有序,你就得付出努力,消耗能量,而且付出的努力越大,可能在更大的范围内制造的“混乱”也越多。

有没有一种“宿命论”的感觉?

某种程度上是的。熵增原理描绘了宇宙发展的方向,它指引着时间的方向——我们能回忆过去(有序),但无法预知未来(潜在的无序)。

但是,别因此感到沮丧。

正是因为有了熵增的趋势,我们才更懂得珍惜那些来之不易的“有序”。那些短暂的美好、那些精心的创造、那些用爱和努力维护的秩序,因为它们是在对抗普遍的“混乱”,所以才显得格外珍贵。

我们就像是宇宙中的“抗熵战士”,虽然无法阻止熵的增长,但我们可以在自己的小范围内,创造和维护属于自己的秩序和美好。

所以,下次你看到房间乱了,或者事情不如意,不妨想想“熵”这个概念。它不是在责怪你,而是在告诉你一个普遍的自然规律。而你所做的每一次整理、每一次学习、每一次创造,都是在用自己的方式,对抗着宇宙的“懒惰”。

这就是熵,一个听起来高深,但其实质朴无比的自然规律,它存在于你的房间,存在于你的生活,存在于整个宇宙。

网友意见

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既然是“尽量通俗易懂”,那我就尽量一把。熵最早是由克劳修斯提出。按现在的学科分法,他应该也是搞物理化学的。当时人们热衷于气体、热机、梦想着永动机。克劳修斯发现当前没有一个量来表示系统(孤立系统)的稳定性,这怎么能行?。传统物理量:温度、压强、能量都没法来干这事。克劳修斯想,既然没有,我就创造一个,取名叫了熵。并对其进行了定量描述,用来判断系统的稳定性。

虽然熵很早就没克劳修斯这种大神创造出来了。但是它的物理意义一直没人知道。相当一段时间就被当成一个纯物理量来用。直到又一位大神玻尔兹曼的出现。他是研究统计热力学的,他发现熵这个宏观物理量和微观的权重(所谓权重,可以简单理解为概率的大小)很相似。从权重角度考虑,熵就是宏观状态的多样性。这就明白多了,哪个状态的概率大、其熵就大。而概率是可以用数学方法算得。

关于熵的不形象比喻:高中在操场做操的时候,只有在被命令的情况下才能按方正队形站好,一旦处于命令解除,处于自由状态,肯定是乱成一团。因为乱成一团的概率大、多样性高、熵大。这一过程就是熵增加原理的比喻。 但是、但是、但是,绝不是说熵增加过程就是变混乱的过程。这是不对的。可能是满足某一概率分布。

水平有限,请大神们指正。

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前些天随手写了个对分析力学的解读,学妹说很有知乎大神的风范。特地来知乎转转,看了很多好贴好回答,也来贡献自己的力量。

--------------------------------正文(看起来长,可读性很高)-----------------------------------

其实前面几位的回答已经足够好了,相信有数理基础的人基本能读懂了,但是还有几个“一听就懂的关键术语”,前面的大神没有提到,我来补充。

也是从概率论入手:

1、原理一:微观状态等概率原理

假设有5枚硬币,每一枚硬币要么正面(1)朝上要么反面朝上(0),“00010”就是一个微观状态,每个硬币有(0、1)两种可能,于是一共有“2的5次方=32种”可能。注意,记录微观状态的时候,“00010”和“00100”是两种不同的状态。

2、原理二:全同粒子原理(全同硬币)

由于这些硬币宏观上是不能被区分的,于是“00010”和“00100”这两种微观状态,对应于同一种宏观状态——即:1个正面4个反面——可以数出来,这种宏观状态出现的概率(记做:P=5/32)(也叫做微观状态数为5)。

3、结论呼之欲出:二项分布,高斯分布

我们已经知道,微观状态等概率分布;那么宏观状态如何分布呢?答案就是中学学过的二项分布;当硬币很多很多的时候,就过渡到宏观状态的高斯分布。高斯分布什么特点呢?两边概率很小,中间概率很大。当硬币非常非常多的时候,中间一小块区域的概率近乎于100%。也就是说,中间的那些宏观状态,拥有的微观状态数(记做:W)非常大。

4、什么是熵(记做:S)?

熵的统计学定义就是:某个宏观状态的微观状态数,取对数(S=lnW)。可以看得出来,熵越大的宏观状态,具有越大的出现概率。

5、所谓熵增

更为形象的事件是:1、这无数多个硬币,不是躺在桌子上的,而是在时常地跳动,对于某个硬币来说,它一会儿正面一会儿反面。但是对于所有硬币这个整体,它基本上是50%正面和50%反面。2、如果在某一时刻,你强行让所有硬币都是正面(此宏观状态的微观状态数为1,熵最小),但是你阻止不了它跳动,这些硬币很快就会“演化成”熵最大的宏观状态,是谓熵增。

6、补充:

理论上,硬币世界是可以演化到全部正面或全部反面的”小熵“状态,但是,动辄阿伏伽德罗常数数量级(10^23)的统计结果会告诉你,这个概率非常非常非常小,高斯分布的极限是什么?函数,就是在熵最大的地方的一个窄条。

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