热力学定律

尽管熵和热力学第二定律在文化上的知名度很高，人们对热力学第一定律的认识却远没有这么普遍。但是要完全掌握第二定律，还是先掌握第一定律才好。实际情况是，第一定律也广为人知，但用的是另一个名称，就是“能量守恒定律”。一个过程开始时你有多少能量，到结束时你拥有的能量还是一样多。在计算能量时你必须锱铢必较，把一开始的能量储备会转化成的所有形式的能量都算进来，比如动能（运动具备的能量）、势能（储存起来的能量，就像被拉开的弹簧）、辐射（电磁场或引力场等场中具有的能量）和热能（分子和原子的随机颤动）。只要你追踪得够仔细，热力学第一定律就能保证能量收支表的平衡。 ^[12]

热力学第二定律关注的是熵。跟第一定律不同，第二定律关乎的不是守恒，而是增长。第二定律宣称，随着时间推移，熵有着势不可当的增加倾向。通俗地讲就是，特殊组态倾向于朝着常见组态演化（你精心熨过的衬衫会变得皱皱巴巴），或说有序倾向于退化为无序（你整理好的车库会逐渐恶化成乱七八糟的一堆工具、储物箱和运动器材）。虽然这样描述能带来很好的直观意象，但玻尔兹曼对熵的统计学表述能让我们精确地描述第二定律，而同样重要的是，它还可以让我们清楚地了解到第二定律为什么成立。

归根结底，这是场数字游戏。我们再看看那些硬币。如果你细心安排它们，得到全都正面朝上的低熵组态，然后轻轻摇晃、倒腾这些硬币，这时，你会预期能得到至少有那么几个背面朝上的、熵更高的组态。如果你继续摇晃它们，那么，会回到全部正面朝上的结果固然是可以想象的，但这就要求摇晃得恰到好处，刚好能完美地把那几个背面朝上的硬币翻过来。这种可能性极低。可能性大得多的情形是，这样摇晃会随机翻动一些硬币；那几枚反面朝上的硬币中有些可能会翻成正面，但正面朝上的硬币中变成背面的要多很多。就是这么简明直接的逻辑——没有花里胡哨的数学，也没有多么抽象的思想——就能揭示，如果起点是所有硬币都正面朝上，那么随机摇动会让背面朝上的硬币数量增加。当然，这也是熵在增加。

背面朝上的硬币变得越来越多的过程，会一直进行到正面背面大致五五开的时候。到这时，继续倒腾会既把一些正面朝上的硬币翻成背面，也把同样多的背面朝上的硬币翻成正面。因此，这些硬币的大部分时间，就都会用于在数量最多、熵最高的分组的成员之间迁移。

对硬币成立的定律在更普遍的情形中也成立。烤面包的时候你可以肯定，香气很快就会填满远离厨房的房间。一开始，烤面包释放出来的分子还聚在烤箱附近，但逐渐就会扩散开来。原因跟我们对硬币的解释类似，就是跟芳香分子聚在一起的组态相比，扩散开来的组态方式要多得多，所以通过随机碰撞、推挤，这些分子会向外飘散的可能性比向内聚集要大得多。因此，分子聚在烤箱附近的低熵组态，自然就会向高熵状态演化，在你的整栋房子里扩散开来。 ^[13]

更一般地讲，如果一个物理系统尚未处于能达到的熵最高的状态，就极有可能向着这个状态演化。正如面包香气的例子充分展示的，相应的解释乃是基于最基本的推理：（正是根据熵的定义）熵更高的组态方式比熵更低的要多得多，因此随机推挤——原子和分子无休止地撞击、颤动——让系统向高熵而不是低熵发展的概率要大得多。这个过程会一直进行下去，直到变成能达到的最高熵组态。从这时起，推挤活动就会倾向于让系统组分在具备最高熵状态的（通常）数量庞大的组态之间迁移。 ^[14]

这就是热力学第二定律，以及它为什么成立。 eurFYgyazW7u5uhjpBQOFsKCsb5Oq8HWaOa8dr0Fk0msESrBU+LEif4VkErLnwU3