热力学第二定律有两种表述,有上两千多个相关的公式,熵增加原理是其中最为通常而普遍表述。我们看到,通常对熵的表述就是:熵表示系统的混乱程度,即无序度。 混乱与否,有序与否,这同好与坏的判断一样, 是一个主观意识非常强的判断。 对熵进行仔细研究,就会发现用"混乱程度"来表示熵,其实是不恰当,甚至说是错误的。 这里面的关键是"有序"、"无序"、混乱程度",有序就代表熵减,混乱或者失序就是熵增,这样的理解以及描述,对于理解"熵"的实质性有很大的误导性。 还是用形象解释熵与"混乱"程度的那几个例子来说。一个成天吃泡面打游戏的宅男的房间在他新交的女朋友的眼里是混乱的。但是在宅男看来,他却觉得很有秩序,纵然有碗筷没有洗,被子没有叠,但无伤大碍。在他新交的女朋友看来,房间这个"系统"的"熵"是很大的;而在宅男看来却是"熵"很小的。 角度不同,对"乱"的理解不同。好比网络游戏里有不同的视角—我、敌人、友、上帝视角,从主观层面上来观察,各个视角对混乱与否的判断是不同的。再打个比方,我买了一口炒菜锅,名牌,价钱不菲,过节了,准备作为礼物送给丈母娘。这口炒菜锅新崭崭,看着也漂亮,我认为这口锅一点都不混乱,是一件非常"有序"的东西。可是从大自然的角度来说,它的认识就相反了。那些构成炒菜锅的铁原子本来在铁矿石里,好好地在铁矿山的地下埋着,你们把它们挖出来,经过选矿、冶炼,然后弄到工厂里制成了炒菜锅。大自然不吃炒菜,从他的角度来说,他会认为把本来有序的东西,搞得无序了,简直弄得混乱不堪了。 那些天上飞的飞机,地上跑的汽车,海上航行的轮船,构成它们的金属材料,以及作为动力来源的油料,本来好好在地下有序待着,人类把它们弄出来,搞成"乌七八糟"的东西。 国外有个著名的纪录片里举了一个例子,解说者想形象地解释什么是熵。他拿了一个沙堡模型,用水和的沙子做了一个沙堡,随着时间过去,沙堡垮塌,以至于消失。解说人把这个过程比作从有序到混乱的过程。这样的解释其实非常牵强。地心引力驱使物体达到平衡状态,其中还有沙漠干燥的风,带走了沙堡里的水分子,致使沙子颗粒间失去了"粘结力",沙堡倒塌,以至于消失。这个过程只不过是物体处于重力场的环境中,以及空气分子和风力的作用下,由不稳定平衡状态,趋向于稳定平衡状态的一个过程而已,实际上与混乱与否,与有序无序没有关系。 你做砂堡,从大自然的角度来说,你是把它的状态搞乱了,你对于它来说,你是在把它有序的东西在搞乱。砂堡垮塌消失,对于大自然来说,它是把你给搞"混乱"的东西,恢复到有序的状态而已。这样就引出来一个"视角"的问题。用游戏里面的"视角"来分析比较贴切。游戏里的视角,主要分为"我"、"敌人"、"队友"、"上帝"视角,处于不同的视角,对乱的理解是不同,甚至是相反的。 这也好比社会环境中,你认为应该有序的事物,你的敌人必定认为是混乱。但是上帝视角是中性的视角,他不会偏袒某一方,混乱与否,那是你们敌对两方的感觉而已。这就叫人无所适从了,一方所说的混乱,另外一方认为那不是混乱,那是应该有的秩序。这就叫公说公有理,婆说婆有理,到底哪个是混乱,哪个是有序,就扯不清楚了。 说这些好像在抬杠,有被怀疑是杠精的嫌疑。我们还是来点实际的,从根本上找出"乱"的由来。 与熵有关的公式上两千多个,追根溯源,那些公式其来源都是最早的那几个公式衍生出来的。最早克劳修斯的宏观熵公式好像与"乱"没有多大关系,再来看玻尔兹曼的熵公式:S=klnΩ。用白话说,熵S就是以Ω为底数的自然对数。这是一个函数,看右边,k是常数,常数是个固定不变的数,跟着谁都一样,谈不上混乱与否,那么这个自然对数符号ln肯定也没问题,肯定是这个Ω了。 我们来看看Ω是个什么"东西",它是表示物体状态数的一个变量,也就是说,S是根据Ω的变化而变化,Ω增大,S就增大。最早的表达式更直接,S=klnΩ是由普朗克由S∝lnΩ加上常数k把∝改成等号而来的。从最早的玻尔兹曼熵公式来看,就更加直白了:熵S与Ω为底数的自然对数成正比。就是说,熵是随着Ω增加而增大,这是统计物理学的一个核心概念。 直白地说,熵(S)就是以e为底Ω的对数。问题所在找到了,这就是说Ω增大,熵就增大,顺着习惯说下去就混乱程度增加了。 状态数增加,就把它说成是混乱和无序;状态数少,就是有序,这很不恰当。这好比,一个树上有两片叶子,它们的状态数少就是有序,而另外一棵树上有一万片树叶,它们的状态就是无序,就是混乱吗?根本说不过去,只能怪我的脑子不够用,算力不够强大,不清楚它们的运行规律,不知道它们是如何有序的而已,根本就不能说是混乱。说它们混乱,是典型的懒人行为。 Ω其实就是一个状态数,后人就把状态数越多的系统,称之为混乱程度越高。仓库里有两粒米,与仓库里有一亿粒米,每个米都有自己存在的状态,那么两粒米可存在的状态很少,一亿粒米相互间可以有很多个存在的状态,你不能说两粒米的仓库里面是有序的,一亿粒米的仓库里是无序,是混乱的。混乱只是人的主观感觉而已,从自然科学的角度拿来定义一件事物,是不恰当的。熵是一个非常复杂的事,这里不是学术讨论,只对把熵表述为混乱程度是否正确做探讨。 找到原因了 出于人的懒惰和一刀切的习惯,把熵减,状态数减少,说成是趋于有序;把熵增,状态数增加,说成趋于无序混乱程度增加。 熵这词听起来高大上,很牛叉,把熵说成是系统的混乱程度,不明白的人云亦云,装得好像很明白,明白的人也只好将错就错,以至于以讹传讹,让熵背上了"坏"名声。时代的发展,科学的进步,学术界已经意识到用混乱程度来表示熵是非常不正确的,熵的实质是指系统的"复杂程度",而不是"混乱程度"。 结论 克劳修斯熵、玻尔兹曼熵、拓扑熵、信息熵等等,即使寻遍那两千多个与熵相关的公式,以及各种不同熵的定义,都找不见与"乱"确切相关的影子,只是把复杂当最乱了,乱毕竟不是好词,应该给熵昭雪了——熵是表示系统复杂程度,而不是系统的混乱程度!