科學百科70期丨熵和秩序之間有什麼關係?

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本期為大家帶來：

《你知道嗎——現代科學中的100個問題》

本書是阿西莫夫的優秀作品之一。

作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現代科學中的一百個尖端課題。

其中，有些是了解現代科學技術所必須具備的基礎知識，如科學的研究方法、二進位數、相對論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當代科學技術的前沿陣地，如黑洞、統一場論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對這些問題的來龍去脈，它們目前處在什麼樣的狀態、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第七十個問題：熵和秩序之間有什麼關係？

試想像有九個人排成一個方陣——三個人一排地排成三行，每行每列都對得整整齊齊。我們可以把這種排列叫做有秩序的排列，因為它又整齊、又對稱，描述起來也很容易。

如果這九個人每人都同時向前跨一步，那麼，他們將保持原來的隊形，這時的排列仍然是有（秩）序的。如果每個人都向後退一步或者向左或向右移一步，情況也是這樣。

但是，假定現在命令每個人都走一步，但前後左右都可以，並且每個人可以隨意選擇他的方向。這時，可能每個人都碰巧獨立地決定向前跨一步。在這種情況下，秩序就仍舊保持不變。

不過，其中任何一個特定的人選擇向前跨一步的可能性只有四分之一，因為他可以隨意朝四個方向當中的任一個方向走那一步，因此，所有九個人全部獨立決定向前跨一步的可能性只有 4×4×4×4×4×4×4×4×4 分之一，即只有1/262,144。

如果九個人全部向後退一步或全部向左或向右移一步，他們的秩序也同樣保持不變，因此，九個人同時朝同一方向走一步的總的可能性是4/262144，即1/65538。既然是這樣，你就可以看出，保持那種秩序的可能性是多麼微小，同時你也知道，如果讓那些人能夠自由行動，那麼，只要有一個人邁出一步，就完全足以破壞那個方陣，從而使有序的程度降低。儘管他們還是有很小的可能性同時朝同一個方向移一步，但是，下一步就完全有可能把那個方陣破壞掉。

這是個只牽涉到九個人、並且只容許有四個不同的運動方向的情形。在大多數自然過程中，我們卻要碰到無數億個可以用非常多種不同方式自由運動的原子。如果由於某種機會，這些原子在開始時有某種有序的排列，那麼以後任何一種自由的無規運動、任何一種自發的變化，都必定會降低那種有序的程度，換句話說，就是會提高無序的程度。

按照熱力學第二定律，宇宙的熵總是在不斷增大，這就是說，宇宙中的能量分布是在不斷地均勻化。可以證明，任何一種能夠使能量分布均勻化的過程，同時也會使無序程度增大。因此，由於構成宇宙的粒子可以自由地進行無規運動而使宇宙的無序程度不斷增大的這種趨勢，正好是熱力學第二定律的另一個方面，我們可以把熵看作是衡量宇宙中存在的無序程度的一個量。

如果我們用這種方式來看問題，我們就可以看到第二定律對我們周圍一切所起的各種作用了，因為所有自然變化顯然都是朝著提高無序程度的方向進行；只有當我們付出一定代價做出特殊努力時，我們才能使秩序得到恢復。我們的零星雜物總是在變亂，我們的房間和我們的衣服也總是在變髒，我們必須經常整理、打掃、洗滌，才能保持整潔。這可能使我們感到最好認為，這一切都是出於那條了不起的宇宙規律在起作用的結果——不過，我自己可一點也不這樣想。

來源：高校科幻

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