科幻里的大型宇宙飞船的生态循环稳定性，是否违反熵增原理？
要回答这个问题，我们需要深入理解熵增原理以及科幻作品是如何“规避”或“利用”它的。
首先，我们来回顾一下熵增原理：
熵增原理（The Second Law of Thermodynamics）是物理学中最基本、最深刻的定律之一。简单来说，它指出：在一个孤立系统中，总熵（一个衡量系统无序程度或能量分布不均程度的量）总是随时间增加，或者保持不变，但绝不会减少。 换句话说，任何自发的物理过程都倾向于将系统推向更无序、更均匀的状态，能量会从集中变得分散，有序的结构会倾向于瓦解。
那么，为什么大型宇宙飞船的生态循环会让人觉得“违反”熵增原理呢？
科幻飞船的生态循环系统通常被描绘成一个高度有序、自我维持的循环。例如：
食物生产： 通过水培、合成生物学或生物反应器，将废物转化为营养物质，再转化为可食用的植物或微生物。
空气净化： 植物吸收二氧化碳并释放氧气，过滤器去除污染物。
水循环： 将废水、体液甚至尿液净化、过滤并循环使用。
废物处理： 将有机废物分解、回收利用，甚至转化为能量。
这些过程看起来是在不断地“创造”有序性——从相对混乱的废物中生产出生命必需的有序物质（食物、氧气）。这似乎与熵增原理所描述的“走向无序”的方向背道而驰。
然而，关键在于理解“孤立系统”和“封闭系统”的区别，以及飞船的运作机制。
科幻飞船的生态循环系统，即使是高度封闭的，都不是一个严格意义上的“孤立系统”。一个孤立系统是指与外界没有任何物质和能量交换的系统。而一艘在宇宙中航行的飞船，即使非常先进，也 并非与外界完全隔绝。
以下是科幻飞船的生态循环稳定性如何与熵增原理相符的几个关键点：
1. 飞船是开放系统（至少在能量上）：
能量输入： 飞船为了维持其内部的有序性和生命活动，必须从外界摄取能量。这些能量通常来自于：
聚变反应堆或反物质引擎： 这是飞船最主要的能量来源，将高能量物质转化为可用的能源。这个过程本身就会产生大量熵。
太阳能： 如果飞船靠近恒星，可以通过光能收集板吸收能量。
内部能源存储和转换： 飞船内部的能量存储和转换设备（如电池、电容器）效率并非100%，每次能量转换都会有部分能量以热量的形式散失到环境中，增加熵。
能量输出： 飞船为了维持其内部有序，必然会将一部分能量以低品位能量（通常是热量）的形式散失到宇宙空间中。这是熵增的直接体现。即使是先进的散热系统，也无法做到100%的能量回收。
2. 内部的熵增过程：
生命活动本身是熵增的： 生物体的代谢过程就是一系列复杂的化学反应，这些反应会将储存的有序能量（食物）转化为维持生命活动的能量，同时产生无序的副产品（如热量、代谢废物）。即使有高度集成的生物循环，这个过程的净熵变化仍然是增大的。
技术设备的损耗和维护： 飞船上的所有设备（循环系统、维生系统、引擎等）都会随着时间推移而磨损、老化、失效。维护和修复这些设备需要消耗能量和物质，并且在这个过程中也会产生熵。科幻作品中往往会淡化这些技术设备的“寿命”和“维护成本”，但从物理学角度看，这些都是不可避免的。
物质转换的效率： 虽然飞船的生态循环系统设计得非常高效，但任何物质转换过程都不可能是100%完美的。总会有一些物质损耗、未被完全利用的部分，或者转化为无法再利用的形态。这些“浪费”也是熵增的表现。
3. “有序”的局部化和“无序”的扩散：
科幻飞船的生态循环创造了一个局部的、高度有序的生命系统，但这并不是违反熵增原理。相反，它是通过消耗外部高品位能量，并将这些能量转化为低品位能量（热量）散失到更大的环境（宇宙空间）来实现的。
想象一下，就像我们在房间里打扫卫生，把杂乱的物品归类整理（创造局部有序）。但这并不是魔法，我们付出的代价是消耗体力（能量），并将身体产生的热量散发到空气中（增加空气的熵）。整体来看，房间变得整洁了，但我们自身和房间周围的空气的熵总量依然增加了。
飞船的生态循环系统，就像一个被精心维护的花园，植物在里面蓬勃生长，空气清新。但要维持这个花园，需要阳光（能量）、水（可能需要净化）、肥料（可能需要回收），并且花园的叶片会凋落，花会枯萎，最终会被分解。维持花园的生命力，就是在消耗外部能量并向环境中散发“无序”。
4. 科幻的“简化”与“理想化”：
科幻作品为了故事的流畅性和视觉效果，往往会高度理想化和简化现实中的物理规律。它们会强调系统的“封闭”和“高效”，而忽略了系统在长期运行中必然会面临的效率衰减、不可逆损失以及复杂的维护需求。
例如，一些作品可能会描绘出“无限循环”的能量系统，或者完全消除废物产生，这在严格的物理意义上是不可能的。但这是为了构建一个自给自足的生存环境，满足剧情需求。
一个可能的“合规”解释方式：
要让科幻飞船的生态循环看起来不违反熵增原理，科幻作者可以：
明确展示能量来源和散热： 飞船的聚变引擎、反应堆，以及向太空散发的热量（可以通过飞船外部的散热板或辐射描绘）都是其与外界能量交换的体现。
强调维护和更新： 飞船的生态系统需要定期的维护、设备更新和对故障的处理，这些都伴随着能量消耗和熵的产生。
设定一个“消耗品”： 即使是高度封闭的系统，也可能需要周期性地补充某些“不可再生”的物质，或者有某种“熵转移”到飞船外部的机制。
利用恒星的巨大能量： 如果飞船靠近恒星，那么它可以通过利用恒星巨大的能量流来维持内部的低熵状态，同时将更多的热量辐射回宇宙，整体熵仍然是增加的。
总结：
科幻作品中大型宇宙飞船的高度稳定、自给自足的生态循环系统，如果被描绘成一个完全孤立且能无限期维持低熵状态的系统，那么它在严格的物理意义上确实会违反熵增原理。
然而，更合理的解释是，这些系统是高度封闭但并非孤立的开放系统。它们通过持续消耗来自外部的“高品位”能量（如核聚变能），并在内部进行复杂的物质和能量转换来维持局部的有序性。在这个过程中，飞船必然会将大量的“低品位”能量（主要是热量）以不可逆的方式散失到周围的宇宙空间中。飞船内部的低熵状态，是以宇宙整体的更高熵为代价换取的。
科幻作品之所以能让我们相信这些奇妙的设想，往往是因为它们对能量来源、能量损耗以及系统维护的复杂性进行了高度的简化和理想化处理，以服务于故事的叙述和观众的想象。理解这一点，我们就能欣赏科幻的创造力，同时不失对物理定律的尊重。
网友意见
你要这么说，生命形式的出现就是违反了熵增。。。
不知道题主看过刘慈欣的《乡村教师》没有？
这部小说的大背景是神仙打架，神仙文明A和神仙文明B干了起来，神仙文明A很牛，但是还是非常忌惮B。好在B还很远，要慢慢飞过来。但是飞船所需要的能源不是无源之水，所以B飞过来的方式是通过“蛙跳”的方式，从一个恒星跳到另外一个恒星，恒星需要一定的密度，否则就跳不成了---资源不够。于是神仙文明A就开始制造恒星真空带，而地球就在他们制造真空带的路上。刘慈欣显然是考虑了资源问题的。
科幻作品中的旅行多是星际的“Interstellar”，而非星系际“intergalactic”的。在星际旅行中，我想消耗资源的大头还是“加速”和“减速”吧。星系之间的长途旅行，可能生态的消耗就占了大头。题主所描述的“具有完整生态”的飞船叫做“Generation ship”，顾名思义，这种飞船飞上几个世纪，人类要在里面生老病死的到达目的地之后已经是好几代人之后了。影视作品中这样的设定不多，我还没有见过，可能是影视作品总是要集中在相对短段时间之内，故事总得follow同一个或是同一群主人公。我印象中长途跋涉最多的应该是新《太空堡垒卡拉狄加》，但是资源也经常引发戏剧冲突，“生态问题”也是屡屡酿造危机，远远称不上“第二类永动机”。
大多数的科幻作品面对长距离的太空旅行，技术上多采用冬眠，或者AI+冷冻胚胎等低能耗处理方式，而非构造完整的生态圈 --- 除非旅途中的完整“社会”是戏剧冲突的来源，而如果它们是冲突的来源，那么多半下场没那么好，绝对不会被描绘成完美的永动机。小说《Orphan of the sky》中的Generation ship就是一个例子。其实是设定非常轻的Generation ship，我也从来没有见过作者讲：这个飞船是个封闭系统，但是可以世世代代循环下去。既然没有这样的明示或者暗示，我认为就不能认定作者的设定在刻意打破热力学第二定律 --- 系统只是Decay的比较慢，不能说明它没有Decay。
实际上，Generation ship在热力学第一第二定律之前，就会面对很多麻烦了。就在地球上，冷战背景下，美国和苏联就分别做过封闭生态圈的试验，来论证长距离太空旅行，或是殖民火星的可能性。但是双方的数次尝试都完全失败了，最著名的莫非生态圈2号（Biosphere 2）。如果你正在疑惑的话，没错，生态圈1号就是地球本身。
8位志愿者在于1991年进入Biosphere 2进行预期2年的生存试验。但是试验一开始就不顺利，首先是氧气浓度快速降低。在不得不从外部补充氧气之后，食物成了第二个问题：
食物短缺造成了士气低落，小团体在8人中形成。最后任务不得不提前终止。
谁也不能确切告诉你生态圈2号具体是怎么失败的，我们能总结出的最有说服力的理由就是：我们对地球生态究竟是如何运作的了解还是太少了。
我不觉得恒星际飞行的亚光速世代船里能源是问题，看上面这张NASA官方文献里的示意图。反物质就不考虑，毕竟生产反物质消耗的能量比湮灭产生的能量多无数倍，加上湮灭产生的大量伽玛射线不太好利用。先看核裂变吧，一块和常见易拉罐差不多大小的铀235释放的能量相当于50罐航天飞机用的液氢液氧。而氘-氚聚变的能量密度更是铀235裂变的4.8倍。至于其他聚变燃料，见下图。
我以前概略的计算过，1吨氦3聚变发出的能量大约相当于5000万桶石油！在掌握核聚变后能源的携带根本不是问题，出发时带足核燃料就行，足够撑到目的地。好比是跨越大洋的航班都会确保有足够的燃油抵达彼岸，而不是途中油烧完坠海了。
用化学火箭载人去火星就有一定挑战性，去小行星带已经很难，载人去木星更是不可能的任务，能飞出太阳系星际航行至少也得是裂变了。
散热通过冷却液、热管、热泵等措施把内部废热输送到飞船外部的散热器，通过热辐射的方式向温度-270.45°C的宇宙消散。
还有我认为恒星际飞船也好、太空城市也好、火星殖民地等也好，上面的人造生物圈不能像地球那样完全自然的循环。因为条件差异太大，必须有强有力的人工干预去修正出现的问题、偏差。例如当植物生产的氧气不足可以用化学方法去补偿、水质出问题就人工净化，微生物菌群出问题就用人工手段处理废物合成肥料。通过人工干预保障跟自然生态循环相结合去维持好这生活环境，而不是试着100%模仿地球。还要优化人造环境的设计，例如用生物反应器培养益生菌和微藻处理废物生产氧气、用垂直水栽农业取代传统的农田等，高效的利用有限的能源和空间。理想主义式盲目的照搬、模拟地球，忽视客观条件的差异，这就是生物圈2号失败的根本原因。
注意人类通过观察学习鸟类发明了飞机，然而人类的飞机并不像鸟那样在机翼上贴人造羽毛，然后扑翼飞行。完全照搬鸟类飞行方式的扑翼机只能作为小模型、玩具，无法真正带人翱翔天空。
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