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07 由熵推想宇宙的生命

只要炼金术士们还在寻找贤者之石,

追寻炼金之法,他们终将一无所获。

只有把目光放在看似没有价值的问题上,

化学才能诞生。

路德维希·玻尔兹曼

(1844—1906年)

路德维希·玻尔兹曼是位物理学家,但他却预言,19世纪将会是查尔斯·达尔文的时代。玻尔兹曼非常钦佩这位英国伟人的进化理论,并且自然而然地将其运用在精神生活领域,正如引语中所说的那样。早在1900年,他就已经提出一套理论。这套理论就是半个世纪后,同样出身于维也纳的康拉德·劳伦兹 所说的“进化认识论”。在这一理论框架之下,玻尔兹曼发现,某一个体先天——即先于任何经验获得并伴随一生的思维方式,会随着该物种的演化而发展。在这种意义上,它也是后天的,应当归功于其祖先所积累的经验。

1906年,玻尔兹曼自杀离世。这位维也纳人曾研究过关于认识的进化,而这一课题却并未受到重视。他的奥地利同胞,备受喜爱的著名哲学家卡尔·波普尔 猜测,迫使他做出这一绝望之举的抑郁症,可能与物理学有着密切的联系。

在他生命的最后时刻,玻尔兹曼依然无望地进行着实验,想要证明热力学第二定律。这个定律与物理学家们称作“熵”的变量有关,“熵”就像“能量”一样,是一个人造词。

“熵”这一概念试图更加准确地描述,机器中并非全部能量都会被用于做功。用专业人士的话来说,能量是会“逸出”的。在每个做功环节上,能量都会因逸出而减少,这样便可以推想熵是一个持续增长的数值。这种说法乍一听是无可厚非的。热力学第二定律将这种看法总结为普适规则:“世界的熵趋向于一个最大值。”

这一说法的特殊之处在于,这样一来,物理上的时间就有了一个方向。每个人当然都知道,自己的时间线——即一生的时间只有一个方向,它只会朝着死亡向前流动。但物理学认为时间可以逆转,因为它具有前后两个方向。根据牛顿的力学定律,一个单一粒子在时间上既可以前进也可以后退。而观察多个粒子时,这种时间对称性却失效了。若是观察一滴墨水在一杯水里扩散开来的过程,必定会得出这一结论。即便单一粒子不会沿着时间线运动,事物也会呈现出明显的方向性。如果没有外界的帮助,一个散开的液滴是不可能再次聚集起来的。

玻尔兹曼仔细地分析了这种情况,对系统的微观状态和宏观状态作了区分。微观状态用每个粒子的各项参数进行描述,而宏观状态则用诸如温度、颜色、体积等测量值来标示。玻尔兹曼说明了微观状态的多少导致了宏观状态的不同,它们使宏观状态得以实现。他认定熵为一种决定微观状态的随机事件。

在这种思维模式之下,物理系统——例如气体或液体总是从可能性小的状态变为可能性大的状态的时间线就可以实现了。纯墨水分子聚集成一滴,这种状态在微观看来,其可能性要比墨水分子分散在整个容器中小得多,实现这种分散状态的微观方式有很多。

玻尔兹曼相信,他仅以所谓“碰撞数假说” 的数学方法表达的这种思路,能够证明物理时间的流动方向。在他看来,诸如液体的系统中呈现混乱状态的可能性比有序状态的可能性要大。他由此推论,一定有一条普适的力学定律,说明封闭体系中粒子总是采取更为可能的分布,因此其有序性总是减小而熵总是增大。玻尔兹曼将这个结论拓展至整个宇宙,他写道:“现在的宇宙,或是至少我们身边的世界,是从一个很不可能的状态开始演变的,并且仍处在一个相对不太可能的状态之中。只要接受这种说法,热力学第二定律就可以通过力学理论得到证明……有人可能会怀疑,是否整个宇宙都处于热力平衡状态,因此宇宙已经死去。宇宙局部是可能出现失衡现象的……宇宙作为一个整体是没有时间上的‘向前’或是‘向后’的,因为有生命存在,并且处于相对低可能性状态的局部世界。其时间流向则是由不断增长的熵决定的,它正由可能性小的状态变为可能性大的状态。”

这种说法的吸引人之处在于,为了理解世界上发生的事情,玻尔兹曼在他以客观性著称的研究当中引入了主观因素——诸如人类的生物。他就此为主观性敞开了大门,尽管这在今天被视作他的一大功绩,当时却让玻尔兹曼陷入了绝望。熵至今神秘莫测,人们只知道它与玻尔兹曼逝世后的1个世纪里人们所研究的信息有关。 yQY6vZf95skBsl9j2ij9twAwj8GK7d2dRFPEpPYoDJ5S8x9wB8AvLqhoekLP2Jf5

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