上回书说到了统计热力学，在这一期内容中我们稍微放松一下，来说一说热力学里有趣的世界观。说是有趣但是这里面仍然有不少对宇宙与生命的思考，在某种程度上这些思考得出的很多推论令人不寒而栗。所以本文的基调有一种欢乐中透着致郁的感觉。下面我们来说一说热力学中的一些有趣的理论。

1.热寂说

说到热力学中有意思的理论，那就不得不提一下影响非常大的热寂说。说道热寂说就不得不提到热力学里面所谓的孤立体系。孤立体系我们可以把它理解成一个密封的保温瓶，它与外界既没有热量交换也没有物质交换。热力学第二定律告诉我们，一个孤立的体系的熵是永远会增大的，也就是说这个体系最终会呈现一种热平衡状态。热平衡状态很可怕，是一种死态，这种状态下的热力学系统不会再有任何变化，因为这种情况下，体系内每一处的温度和分子数都是相等的。

现在把这个保温杯想象成我们的宇宙。虽然现阶段宇宙中有很多恒星，甚至可能有不少带有生命的花花世界。但是如果宇宙是一个孤立体系的话，那么宇宙的熵永远是增加的，最后全宇宙都会变成物质浓度均一的世界，不会再孕育生命。恒星会熄灭，星系会解体，黑洞会蒸发，最后宇宙会变成一个处处均匀但是没有生机的世界。

从现有记载来看，热寂说最早是由开尔文在1852年（太平军攻打长沙时期）提出，热寂说可以说为宇宙奠定了一个黑暗的结局。从热寂说诞生以来就受到了不少批判，比如说有人认为宇宙之外还有其他结构，所以宇宙不是孤立系统。有人认为由于存在保守立场比如说引力场，带有引力场的系统本身是负热容的，这种体系熵值可以无限增加但不会产生热力学平衡状态。就像在保温杯里放一块石头，由于石头内部由作用力导致石头上的分子不会扩散到气体中，最终体系无法达到热力学平衡态。

热寂说发展到今天，大部分人认为这是一个不正确的理论。在这里做介绍主要还是我本人仍然是热寂说的赞成者。首先认为宇宙不是孤立体系的，即使宇宙外还有结构，只要这些结构是有限的，那么即使把这些结构算上最终还是会成为一个孤立的体系。

另外引力的负热容特性这一点来看似乎也有破解的可能。如果假设热力学三定律是这个世界上最正确的理论。那么引力体系无法达到热力学平衡的理论有可能失效。这似乎是有苗头的，比如说暗能量这样的概念，由于暗能量加速宇宙膨胀，未来宇宙内的引力可能失效，最终还是走向热寂的结局。这种结局被人们称为大撕裂。

本星系群，即使人类以后掌握了光速飞行技术，也难以到达本星系群之外。由于宇宙在膨胀远处的星系离我们越来越远，退行速度甚至大于光速。随着暗能量的作用宇宙的膨胀会加快，几十亿年后，我们甚至能观测到离我们非常近的天体也在退行。甚至构成我们身体的原子都会分崩离析。引力的作用与距离平方成反比，随着宇宙膨胀引力作用会越来越弱，这就导致了热寂又成为了可能。

2 涨落，非平衡态与生命

现在流行的宇宙大爆炸理论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。通常的观点认为，在大爆炸初期宇宙温度非常高，而且物质非常致密，这种情况下宇宙迅速就能达到热力学平衡状态。据现有理论认为，这个过程持续不到0.01s。那么问题就来了，既然早期宇宙就进入了热力学平衡状态也就是热寂状态，宇宙中的温度与密度应该处处相等才对。可是事实却不是这样，在许多亿年以后，宇宙中部分物质聚集形成恒星，进而演变出了生命这种高度低熵的体系，这是为什么呢？

这是因为分子在做无规则运动，那么只要这种运动时间持续够长，那么一定会出现局部的分子恰好聚集在一起的情况，这种现象就叫做热力学涨落。由于涨落的存在，即使我们处于一个热力学平衡体系，但是在微观角度上，这个平衡体系不会是处处温度与粒子数相等的。同时我们知道物质之间是有引力的，这样的话聚集在一起的物质进一步通过引力吸引其他物质导致局部物质越来越多，最终形成了第一代恒星，甚至星系。

我们之前讨论的热力学系统都是孤立系统，接下来我们要来说的是开放系统。比如说地球就是一个开放系统。地球从太阳中获得能量，就像蒸汽机从锅炉接受能量产生机械能一样，地球接受太阳能量，同时部分转化为其他形式的能量，在这个过程中体系接受负熵。由于地球本身的活动产生熵增，从太阳接受负熵后，地球的呈现一种平衡状态，这种情况被称为亚稳态。而亚稳态状况下会产生大量有序的结构，这种结构被称为耗散结构。

而耗散结构的产生对于生命来所是非常必要的，我们知道生命体哪怕是一个细胞都是非常复杂，非常规律的结构，生命的体的熵值是非常低的。类比我们自身，我们每天摄入大量食物，但是这些食物只有很少一部分构成了我们的身体，其他都作为热量被消耗掉了。一个人即使躺着不动全身都会有热量消耗。这像不像卡诺定律，热机只能利用一部分热源转化为机械能，其他都作为废热消耗掉了。

3 猴子打字机与玻尔兹曼之脑

这也是一个非常有意思的说法，那就是如果给一只猴子一台打字机，让猴子随机在打字机上打字。虽然猴子打字是随机的，但只要持续时间足够长，那么在某个时候，它们必然会打出莎士比亚的全部著作。把这个理论套用在热力学中也一样。我们知道热力学体系中分子都在做无规则运动。那么就存在一个概率：恰好所有分子在不断运动中能够形成一个高度有组织的结构。也就是说即使在热力学平衡体系中，只要时间足够长，分子运动也能恰好孕育出生命之类的复杂物体。

猴子打字机的假说更进一步的就是玻尔兹曼之脑也被称为缸中之脑。我们的思想与精神世界是物质作用的结果，我们的思维是大脑中电信号的表现。如果我们能够模拟这些电信号我们就能模拟思维。根据我们上一节提到的猴子打字机原理，只要有时间，存在大量分子的热力学体系里，因为分子的无规则运动，一种有意识的分子组合状态就会莫名其妙地突然蹦出来，即使这种状态持续的时间非常短。这种意识很可能在无时不刻地观察着我们，甚至只要这种意识存在时间足够长，他们甚至也能发展出科技，获取身体同我们展开生存竞争。这种意识有可能以比我们更快的速度思考，或许只要几秒钟，它们就能发展出高度发达的科技。

甚至我们本身就是这样一种思维，我们所接触的世界可能根本就不存在，只是我们的意识给我们编造出来的，我们所经历的事情实际上就是一场梦。在梦里我们认为我们存在了几十年，但实际上产生意识的热力学状态可能只能存在一秒钟。而我们知道，热力学体系中分子是无规则的运动的，形成这种思维的分子状态可能稍纵即逝，也就是说一秒钟后这场梦就会醒，我们的思维则可能会在瞬间崩溃。

猴子打字机还有一种理论引申就是所谓庞加莱重现，既然热力学体系中分子在做无规则运动，那么会不会有一种可能性那就是分子在经历过大量运动后又回到了初始状态，这样一来热力学系统就可以一次又一次地轮回重启。那么问题来了，我们的世界是否被重启过呢，这或许谁都无法知道了。

以上说了三个从热力学引申出来的观点，这些观点都曾经引起了历史上巨大的讨论，甚至至今也没有定论。从这些例子的讨论来看，热力学已经超出了一般的科学范畴，甚至变成了一种哲学。还是那句话热力学是人类历史上最精密，最有魅力的科学。下一讲我们来说说热力学与化工过程的关系。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：知乎用户（登录查看详情）

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