如果物理學(xué)只能有一條定律是永恒正確的，你認為是什么？

牛頓力學(xué)、相對論還是量子力學(xué)？

物理學(xué)家張首晟教授的答案是熵增定律。

什么是熵增定律？熵的物理意義是體系混亂程度（無序度）的度量，熵增即為在一個孤立系統(tǒng)里，如果沒有外力做功，其總混亂度（熵）會不斷增大。

當(dāng)熵達到最大值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)嚴重混亂，最后走向死亡。正因此，熵增定律被認為是有史以來最令人絕望的物理定律。

熵增定律過于抽象，我們來舉幾個簡單的例子。

比如，過年前我們會全家總動員大掃除，把屋里屋外收拾得一塵不染，然而年還沒過完，甚至除夕都還沒過，整個房間又成了一團亂麻，廚房里又滿是油煙。這就是熵增的過程。

再比如，我們的手機會越用越卡，耳機線會纏作一團，放置一旁的熱水會慢慢變涼，沒人住的屋子會有越來越多的灰塵，太陽也在一直燃燒衰變……這些都是熵增的過程。

無情的熵增機器

其實不僅僅是手機熱水，也不僅僅是陳年老屋，整個宇宙皆是趨于無序化的，整個世界最終會變得越來越混亂。因為熵增的存在，所有的一切最終都會走向“寂滅”。

把熵增定律的地位看得如此之高，這并非一家之言，事實上，它是物理學(xué)家心目中最堅定的一個信仰。

張首晟教授認為，人類的知識再往前探索，牛頓力學(xué)可能被糾正，量子力學(xué)可能錯誤，相對論可能也不對，但熵的公式卻是永恒的。

吳軍博士曾說，如果有一天人類只能用一張名片記錄下人類文明，那么他的答案是三個公式：

薛定諤在《生命是什么》中說，「人活著就是在對抗熵增定律，生命以負熵為生?！?/p>

而提出相對論的愛因斯坦也有言，「熵理論對于整個科學(xué)來說是第一法則」。

熵增定律能夠有如此多的科學(xué)家為其背書，足見其重要性。接下來，我們就來抽絲剝繭，一起揭開熵增定律的神秘面紗。

英國科學(xué)家查爾斯·珀西·斯諾在《兩種文化與科學(xué)革命》中說，一位對熱力學(xué)一無所知的人文學(xué)者和一位對莎士比亞一無所知的科學(xué)家同樣糟糕。

在熱力學(xué)誕生之前，人類其實并不清楚“熱”是什么，總是將熱與溫度的概念混為一談，直到17世紀，伽利略發(fā)明了溫度計之后，人們才慢慢明白熱與溫度的區(qū)別。

對于“熱”，人們最初的認知可以用“熱質(zhì)說”來概括，即認為熱是一種會從高溫物體流向低溫物體的物質(zhì)。同時，根據(jù)實驗，熱這種物質(zhì)是沒有質(zhì)量的，它被稱為“卡路里”。

這一理論似乎很有說服力，比如它可以用來解釋熱水變?yōu)槔渌默F(xiàn)象，即熱水的溫度高，表示熱質(zhì)濃度較高，因此，熱質(zhì)會自動流到熱質(zhì)濃度較低的區(qū)域。

但18世紀末，美國人倫福德發(fā)現(xiàn)了“熱質(zhì)說”的漏洞——它無法解釋摩擦生熱的現(xiàn)象。

倫德福是一個工程師，他在鉆制大炮的過程中發(fā)現(xiàn)銅炮在鉆了很短一段時間后就會產(chǎn)生大量的熱，被鉆出的銅屑則可以熱到直接融化，而這些摩擦所生的熱就好像是無窮無盡的，但是，銅里面怎么可能包含如此多的熱質(zhì)呢？因此，他認為熱不是一種物質(zhì)，而是一種運動。

可惜的是，由于倫德福的政治立場，當(dāng)時的人們并不相信倫德福提出的異類觀點。直到19世紀，德國醫(yī)生邁爾和英國物理學(xué)家焦耳才逐漸改變了人們的觀念。

邁爾給生病船員放血時觀察到一個現(xiàn)象，熱帶病人的靜脈血不像生活在溫帶國家中的人那樣顏色暗淡，而是像動脈血那樣鮮艷，即人生活在熱帶和溫帶時靜脈血顏色不同。

這一現(xiàn)象使他想到食物中含有化學(xué)能，它像機械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱——在熱帶高溫情況下，機體只需要較少的熱量，因而機體中食物的燃燒過程相應(yīng)減弱，靜脈血中留下了較多的氧，顏色更鮮艷。

由此，他認識到熱是一種能量，生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的，并在后來成為完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒原理——熱力學(xué)第一定律的第一人。

焦耳是個 “富二代”，在他父親的資助下研究磁電動機。通過磁電動機的各種試驗，焦耳注意到電動機和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，他由此開始進行電流的熱效應(yīng)研究，并花了將近40年的時間來證明功轉(zhuǎn)換成熱時，功和所產(chǎn)生熱的比是一個恒定的值，即熱功當(dāng)量。

1848年，他通過實驗證明，當(dāng)物體所含的力學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能時，整體能量會保持不變，能的形式可以互相轉(zhuǎn)變。在此之上，焦耳逐漸發(fā)展出了熱力學(xué)第一定律，并為熱力學(xué)的整體發(fā)展確立了基礎(chǔ)。

既然能的形式可以互相轉(zhuǎn)變，那么，不需要能源就能永遠工作的機器是否存在呢？

人類對永動機的追求并非始于工業(yè)革命，早在公元13世紀，人們就已經(jīng)提出了制造永動機的想法。15世紀，西方人文主義覺醒，整個社會對能量的需求越來越大，于是，眾多領(lǐng)域大神也紛紛投身其中，希望能夠找到制造永動機的方法，這其中就有達·芬奇。

達·芬奇認為，輪子左半面的球比右半面的球離輪心更遠，因此左半面球產(chǎn)生的力矩更大，這樣輪子就會沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不停。

達·芬奇設(shè)計的永動機示意圖

理想是美好的，現(xiàn)實是否定的。實驗證明，達·芬奇的永動機最終會停下來。因此，達·芬奇得出結(jié)論：永動機不可能實現(xiàn)。

當(dāng)然，人類可不是這么輕易言敗的生物，工業(yè)革命后有更多的人投入到永動機的制造之中。但事實證明，所有設(shè)計方案都以失敗告終了。在無數(shù)次失敗后，人們終于承認，不可能出現(xiàn)沒能量輸入而一直對外做功的裝置。

所以，熱力學(xué)第一定律最初是針對“永動機的設(shè)計”而提出的，而熱力學(xué)第一定律卻徹底滅殺了這一類永動機追求者的幻想。

卡諾，是一個才華橫溢的青年，他對永動機并不感冒，不過他相信錯誤的“熱質(zhì)說”， 還依據(jù)錯誤的“熱質(zhì)說”和“永動機械不可能”兩個原理導(dǎo)出了卡諾定理。

他認為熱能之所以能轉(zhuǎn)換成功，是因為“熱質(zhì)”從溫度高的地方流向溫度低的地方，能夠推動熱機運轉(zhuǎn)，這說明熱機的最大熱效率只取決于其高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?。該定理其實是熱力學(xué)第二定律的結(jié)果。

不幸的是，1832年，卡諾36歲即患病身亡，直到四十多年之后，人們在卡諾僅存的一個筆記本里發(fā)現(xiàn)，卡諾最后放棄了“熱質(zhì)說”， 轉(zhuǎn)為熱的運動說，并幾乎悟出能量守恒定律。

1850年，在熱力學(xué)第一定律與卡諾定理的基礎(chǔ)上，克勞修斯提出了熱力學(xué)第二定律，認為熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不可能做相反的傳遞而不引起系統(tǒng)其他變化，這意味著熱傳遞具有方向性和不可逆性。

英國勛爵開爾文從熱功轉(zhuǎn)化角度出發(fā)，提出了“熱力學(xué)第二定律的開爾文說法”——物質(zhì)不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響。

自此，名垂寰宇的熱力學(xué)第二定律誕生。

熱力學(xué)體系的逐步建立，讓人類徹底認清持續(xù)千年的神秘永動機不過是海市蜃樓罷了。

熱力學(xué)定律里最能打擊人的當(dāng)屬第二定律，因為仔細想想，它并不限于熱力學(xué)，它還可以延展到社會學(xué)，以至宇宙學(xué)。

在我們習(xí)以為常的生活中，自然界和人類社會看似井然有序，可實際上無序和混亂一直在暗地里生長。如果沒有外力影響，事物將永遠向著更為混亂的狀態(tài)發(fā)展。

可這種混亂狀態(tài)該如何衡量呢?

1854年，克勞修斯找到了一個用來衡量孤立系統(tǒng)混亂程度的物理量“熵”，并用ds表示熵的增量——

加熱過程可逆的情況下，熵的增量為：

加熱過程不可逆的情況下，熵的增量為：

式中，dS為熵增；dQ為熵增過程中系統(tǒng)吸收的熱量；T為物質(zhì)的熱力學(xué)溫度；下標r為英文 reversible (可逆）縮寫，下標ir為英文irreversible (不可逆）縮寫。

將上述兩種情況綜合起來就可以得到：

在這一公式指導(dǎo)下，克勞修斯得出了一個重要結(jié)論：封閉系統(tǒng)下，熵不可能減少，即dS≥0, 這證明了自然界的自發(fā)過程是朝著熵增加的方向進行的。

由此，熱力學(xué)第二定律被推廣到了更為廣闊的意義上，它可以概括為宇宙的熵恒增，即熵增定律。而“熵”，從此成為了科學(xué)界描述隱秘和憂傷的代名詞。

當(dāng)它與時間聯(lián)系在一起時，時間無法倒流 (黑洞內(nèi)部除外）；當(dāng)它與生命聯(lián)系在一起時，則如一根尖針戳穿了人類長生不老的美夢；而當(dāng)它與宇宙聯(lián)系在一起時，它更似一部劇本，寫清了宇宙的前世今生和最終走向。

1867年，熵增定律被用于宇宙，克勞修斯提出了傳說中的熱寂論。

一旦熱寂論被證實，人類千百年的奮斗與拼搏就像一場徒勞無功的笑話。

想象一下，整個宇宙的熵會一直增加，伴隨著這一進程，宇宙變化的能力將越來越小，一切運動都會逐漸轉(zhuǎn)化為熱運動。整個宇宙將會達到熱平衡，溫度差消失，壓力變?yōu)榫鶆颍刂颠_到最大，所有的能量都成為不可再進行傳遞和轉(zhuǎn)化的束縛能，宇宙都最終進入停滯狀態(tài)，陷入一片死寂。

更為悲愴的是，熵在揭露宇宙終極走向的同時，也讓我們看清了自己的渺小。我們不僅不可能造出永動機，而且能量也終有一天會枯竭。

人類像是一步步去看清宇宙真相的孩子，我們從直立行走到點燃普羅米修斯之火，從男耕女織到走進蒸汽時代，從電磁統(tǒng)一到走進信息社會······但是面對熵，卻依舊似一個光腳的孩子，手足無措，無力去阻止宇宙的毀滅。一句“熵增是宇宙萬事萬物自然演進的根本規(guī)律”， 就可以把我們困于絕望之中。

無數(shù)自然現(xiàn)象都印證著熵增原理的正確性，既如此，那我們身處的這個世界又為什么總是生機勃勃呢？或許生命現(xiàn)象是一個例外，它能夠抵抗熵增？

生命是一個可以總是維持低熵的奇跡。一個生命，在它活著的時候，總是保持著一種高度有序的狀態(tài)，各個器官和細胞的運作井井有條，只有死后才會很快化為一堆無序的物質(zhì)。在自然科學(xué)家和社會科學(xué)家看來，生命是高度有序的，智慧也是高度有序的。

可在一個熵增的宇宙中，一切本該發(fā)展為混亂無序的存在，又為什么會出現(xiàn)生命，進化出智慧？

這存在于生命中有序化、組織化、復(fù)雜化的負熵似乎違背熱力學(xué)第二定律。

生命真的可以抵抗熵增嗎？這個問題，薛定諤有自己的答案。

在《生命是什么》一書中，薛定諤獨辟蹊徑地把熵與生命結(jié)合起來，石破天驚地提出了一個觀點：生物體以負熵為食，一個生命有機體天生具有推遲趨向熱力學(xué)平衡（死亡）的奇妙的能力。從有機生命系統(tǒng)來看，所有的生命都有一個終點，那就是死亡，每個人熵最大化的狀態(tài)便是死亡。

因而，人在生命期限內(nèi)，只有一直保持不穩(wěn)定的狀態(tài)，才能對抗熵的增加。對抗熵增也意味著人要讓自身變得有序，如何變得有序呢？

薛定諤提出：生物體新陳代謝的本質(zhì)，是使自己成功地擺脫在其存活期內(nèi)所必然產(chǎn)生的所有熵。人通過周圍環(huán)境汲取秩序，低級的汲取秩序是求生存，這是生理需求；高級的汲取秩序則是增強自身技能，在與他人和社會的交往中獲益。

但無論怎樣，其行為本質(zhì)都是人為吸引一串負熵去抵消生活中產(chǎn)生的熵增量，這是人類生存的根本：以負熵為食。

宇宙天然而熵增，它俯瞰眾生，侵蝕萬物，比起那巋然不動的山更為渺茫。放眼歷史，喧囂過后終歸無聲，熱寂才是最終歸宿。

但人類以負熵為食，即使面對宇宙熱寂，也從未膽怯止步。內(nèi)以新陳代謝消除有機體內(nèi)產(chǎn)生的熵的增量，外則不斷在環(huán)境中建立“有序”社會，力圖使一切維持在一個穩(wěn)定而又低熵的水平之上。

縱然微小若星骸塵埃，也要求得自我的生命意義；縱然僅僅擁有數(shù)十年光陰，也要為這混亂的宇宙建立秩序。