作者系电子系博士,生物物理专业硕士。
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我最初接触到“熵”这个物理化学概念追溯到大学时期:大一的大学化学引入这个枯燥、抽象的概念;深入理解这个概念需要自学物理化学、热动力学、统计物理这些课程,同时需要高中数学、大学数学物理的基础知识捡起来。
熵的英文名叫entropy,德国物理学家克劳修斯在1865年提出(圆明园被烧后的五年),源自于希腊文,原意是“改变”(transformation)。当时欧洲处于第一次工业革命的高速发展阶段。蒸汽机是一批匠人打磨出来的工程设备,但是人们面临的理论问题是:
(1) 如何把一定量的煤扔进一台蒸汽机车,让机车产生更高的动力?
(2) 是否能够造出永动机,人类一按按钮,这台设备就不吃不喝的为人类服务?
经过很多科学家(卡诺、克劳斯修、吉布斯、亥姆霍兹、开尔文。。。)毕生不懈的努力,共同形成热力学三大定律。最终,奥地利物理学家玻尔兹曼在微观尺度,赋予“熵”准确的数学定义。虽然玻尔兹曼一生悲剧,但是他引导普朗克敲开了量子力学的大门。1923年,普朗克来华访问,国立东南大学的胡刚复教授陪同,第一次把entropy这个生僻的词带到中国,翻译成熵(火+商,火:热动力学;商:热能和温度的比值,交换)。
热力学有三大定律
1. 第一定律:能量守恒定律。有得有失
蒸汽机机车要烧煤才有动力,煤的化学能转换成热能,然后转换成机械能,部分形成耗散的热能。手机要充电,才能发挥它的功能;电能需要通过流体运动、燃烧、风、太阳能才能获取。充完电的手机,经过一段时间,将电能转换成热能、光能、机械能,回归到初始状态。
2. 第二定律:熵增定律。熵,可以理解为一个系统的混乱/无序程度。在一个封闭的系统里面,最终熵(混乱/无序)向最大化方向(混乱)变化。
一杯水、一块方糖,各自可以看做一个独立的有序子系统。初始状态,两个子系统的有序度都很高;如果把方糖放入水中,水杯里面,有些地方比较甜;有些地方不是很甜,有序度降低,混乱度增加;过一段时间,方糖完全融化,整杯水一个甜味。这时,糖水这个封闭系统就是熵最大的状态(糖、水之间的混乱度最高)。
3. 第三定律:绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零(T=0K)。宇宙最终的结局:一切都归于静止(heat death of the universe)。。。
热力学定律的核心,我们可以理解为:要获得有序(低熵),天下没有免费的午餐。
大白话,一个系统,如果要降低其熵(混乱度),就需要获取“集中、有用、低熵的能量”,付出努力,提高有序度。空调、冰箱都不是自然现象。要想获得冬暖夏凉,都需要付出知识、能量的代价。
熵,说起来枯燥、抽象。仔细梳理清楚,详细的数学推导过程需要一部分高中数学内容:排列组合。大学知识,通过斯特林近似(Sterling’s Approximation),离散变量近似转换成连续变量,这样我们所学的微积分就都可以派上用场。最终,每个推演的公式几乎都带有一个恼人、或者迷人的玻尔兹曼常数。这个公式被篆刻在玻尔兹曼的墓碑上,他对人类科学的一生贡献,自己生活的悲欢离合,都浓缩在这几行字符。。。
熵的逻辑很好理解。所谓的有序社会,都是反常现象,需要人类做出巨大的努力才能获得。我们可以看看切尔诺贝利核电站所在的城市,无人打理的情况下,已经残破不堪。如果维持现状,随着时间流逝,楼兰古城的样子就是切尔诺贝利的最终归宿。
熵也适用到我们每个人身上。人性懒惰、追求自由是天性(熵增)。每个人都希望躺在床上,不劳而获,做事情为所欲为。但是,自然界的规律不是这样的:一个人必须付出努力,极度自律的干很多自己不愿意干的事情,才可以获得一定的有序和自由。例如,研发过程就是一个投入低熵资源(人、财、物),进行熵减的过程:文献调研,材料调研,仪器调研,工艺调研,合作供应商的筛选,内容拆分,优先级排序,关键方案的预实验证实或者证伪,核心原材料、元器件的质量检测,技术方案的实施,终版系统的测试、验证、工艺优化。最终的研发成果,基本就是一两页精炼的SOP(Standard Operation Protocol);创造的知识,基本就是几分钟可以讲明白的故事。当然,要让研发的熵增加很简单,不投入资源,系统就会逐渐、自动变得无序;更不用说主动破坏。。。
一个人的熵值低,就是做人(品性)、做事(知识)靠谱。任何人,都无法抵抗逐步熵增的自然规律:个人的知识体系越来越陈旧,技能退化,之前驾轻就熟的事情变得堪比登山,对外的承诺变成了忽悠。。。
最终,一个人在巨变的社会面前显得混乱、无助。。。
怎么办?抱怨、甩锅?躲在一个封闭的茧房里面掩耳盗铃?
还是顺着热动力学三大定律,尽可能接触低熵的能量(好的书),持续不断的降低自身熵值,在做人、做事方面成为一个靠谱的人。
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