最令人絕望物理定律「熵增原理」:生命以負熵為食,最終走向消亡

13世紀，一位叫亨內考的人提出了這樣的一個疑問：輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短杆，每個短杆的一端裝有一個鐵球。右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉動下去，並且帶動機器轉動。

這個輪子名叫「亨內考魔輪」，它讓科學家做起了「永動機」的夢，科學家們幻想，一旦永動機誕生，人類將產生源源不斷的能源，所以，有很多的科學家一直試圖復刻「亨內考魔輪」，卻都慘遭失敗，然而無數的失敗卻沒有打消科學家們的熱情，反而對永動機的探索愈加狂熱。

後來，文藝復興時期義大利的達·文西也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的。

達·文西敏銳地由此得出結論：永動機是不可能實現的。事實上，由槓桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加於輪子的旋轉作用雖然較大，但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當的位置，使左右兩側重物施加於輪子的相反方向的旋轉作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來。

儘管如此，科學家們一直沒有放棄這個夢想，人們還提出過利用輪子的慣性，細管子的毛細作用，電磁力等獲得有效動力的種種永動機設計方案，但都無一例外地失敗了。

1847年，德國科學家亥姆霍茲發表了著作《論力的守恆》。他提出一切自然現象都應該用中心力相互作用的質點的運動來解釋，這個時候熱力學第一定律也就是能量守恆定律已經有了一個模糊的雛形。

1850年，克勞修斯發表了《論熱的動力和能由此推出的關於熱學本身的定律》的論文。他認為單一的原理即「在一切由熱產生功的情況，有一個和產生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數量的功也能產生這樣數量的熱。」 加上一個原理即「沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素的行為相矛盾」來論證。把熱看成是一種狀態量。

由此克勞修斯最後得出熱力學第一定律的解析式：dQ=dU-dW

從1854年起，克勞修斯作了大量工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這條原理。經過重重努力，1860年，能量守恆原理也就是熱力學第一定律開始被人們普遍承認。能量守恆原理表述為一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。

熱力學第一定律宣告了永動機的破產，因為永動機違反了能量和質量的守恆定律，在任何的永動機設計中，我們總可以找出一個平衡位置來，在這個位置上，各個力恰好相互抵消掉，不再有任何推動力使它運動。所有永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，變成不動機。熱力學第一定律也促成了蒸汽機的誕生，直接導致了第一次工業革命的誕生，人類由此邁入了蒸汽時代，機械化生產時代開始到來。

而能量守恆定律的提出還是沒有打消科學家們的夢，他們夢想著製造另一種永動機，希望它不違反熱力學第一定律，而且既經濟又方便。比如，這種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變為機械功。由於海洋和大氣的能量是取之不盡的，因而這種熱機可永不停息地運轉做功，也是一種永動機。

中國民科造的磁動機就屬於第二種

簡單來說，人們認識到能量是不能被憑空製造出來的，所以他們試圖從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，並將這些熱能作為驅動永動機轉動和功輸出的源頭，從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其它影響的熱機這也被稱為第二類永動機。

科學家認為只要做到了只有單一的熱源，它從這個單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功，而不引起其他變化，第二類永動機就能夠成功。

在這個時候，隨著科學的發展，牛頓經典力學的一些局限性也暴露了出來，比如牛頓經典力學認為力學過程是可逆的，可逆性是指時間反演，即過程按相反的順序進行。在經典力學的運動方程中，把時間參量 t換成-t，就意味著過程按相反的順序歷經原來的一切狀態，最後回到初始狀態。

而1850 年克勞修斯在論文中提出了一條基本定律：「沒有某種動力的消耗或其他變化，不可能使熱從低溫轉移到高溫。「這個定律被稱為熱力學第二定律。而熱力學第二定律則與力學過程的可逆性相矛盾。

所以克勞修斯在 1854 年的隨筆《關於熱的力學理論的第二基礎定理的一個修正形式》提出了新的物理量來解釋這種現象，,1865 年正式命名為熵,以符號S表示。

克勞修斯從熱機的效率出發，認識到正轉變（功轉變成熱量）可以自發進行，而負轉變（熱量轉變成功）作為正轉變的逆過程卻不能自發進行。負轉變的發生需要同時有一個正轉變伴隨發生，並且正轉變的能量要大於負轉變，這實際是意味著自然界中的正轉變是無法復原的。

由此克勞修斯提出了熱力學第二定律的又一個表述方式，也被稱為熵增原理，那就是：不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。在自然過程中，一個孤立系統的總混亂度（即「熵」）不會減小。

簡而言之就是孤立系統的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加，可以說非常鮮明地指出了不可逆過程的進行方向。

熵增原理是熱力學第二定律的另外一種表述形式，卻又擁有更加深刻的含義，它創造了「熵」這個概念。這個概念在後來被廣泛應用，香農把熵的概念，引申到信道通信的過程中，從而開創了」資訊理論「這門學科，從而宣告了資訊時代的到來。

熵增原理表明，在絕熱條件下，只可能發生dS≥0 的過程，其中dS = 0 表示可逆過程；dS>0表示不可逆過程,dS<0 過程是不可能發生的。但可逆過程畢竟是一個理想過程。因此，在絕熱條件下，一切可能發生的實際過程都使系統的熵增大，直到達到平衡態。

絕熱過程是一個絕熱體系的變化過程，即體系與環境之間無熱量交換的過程。在絕熱過程中，Q = 0 ，有ΔS（絕熱）≥ 0（大於時候不可逆，等於時候可逆） 或 dS（絕熱）≥0 (>0不可逆；=0可逆)

熵增原理最大的意義就是從能量品質的角度規定了能量轉換過程中的方向、條件和限度問題。

熵增原理的出現表示經典力學的可逆性並不適用於所有情況，它只在有普遍的力學原理做保證的情況下才準確，熱運動就是一個不可逆的過程。同時也徹底宣告了永動力的滅亡。因為從海水吸收熱量做功，就是從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用功並且不產生其他影響是無法實現的。

而薛丁格就則指出，熵增過程也必然體現在生命體系當中。也就是說，生命體系中的熵也應該是不斷增大的，也只能是從有序向無序發展。但是從某種角度上而言，生命的意義就在於具有抵抗自身熵增的能力，即具有熵減的能力，最典型的表現就是進食行為，我們從食物中汲取了「負熵」來維持生命的有序，即「新陳代謝的實質就是及時全部消除有機體無時無刻不產生的全部負熵」。這裡的有序和無序是描述宏觀態的。

因此，機體是在新陳代謝過程中成功地從周圍環境中不斷地吸收負熵，向周圍環境釋放其生命活動不得不產生的全部正的熵維持生存和進化的。總之，生命體是開放的、不可逆的非熱力學平衡體系。平衡態是無序的，而非平衡態則是有序的根源，這是與熱力學第二定律一致的，也是符合熵增原理的。薛丁格生動地用「生命賴負熵為生」這一句名言概括。

雖然如此，生命的減熵行為卻起不到任何效果，畢竟在浩瀚無垠的宇宙當中，人類等生命簡直是渺小到可以忽略不計。熵增的必然性和不可逆性，註定了生命只能從有序發展為無序，並最終走向老化、死亡。所以熵增原理也被很多人稱為：最令人絕望的物理定律。（依據熵增原理，地球生物都會從從有序走向無序，也就是走向死亡！）

熵增原理適用於很多領域，包括與達爾文的進化論是否矛盾等。

而科學家對於熵增原理最大的爭論是宇宙是否是一個封閉系統，因為熵增作用發揮作用的條件必須是在孤立系統系統中，然後達到平衡熵最大。孤立系統是在熱力學之中，與其他物體既沒有物質交換也沒有能量交換的系統稱為孤立系統 。任何能量或質量都不能進入或者離開一個孤立系統，只能在系統內移動。

而地球就是一個開放系統，熵增原理可以適用於生命，自然也能適用於地球，所以地球上的生物通過從環境攝取低熵物質（有序高分子）向環境釋放高熵物質（無序小分子）來維持自身處於低熵有序狀態。而地球整體的負熵流來自於植物吸收太陽的光流（負熵流）產生低熵物質。使得地球上會出現生物這種有序化的結構。不至於使熵一直處於增大的狀態，

所以科學家就思考，宇宙是否是一個孤立系統，因為宇宙是不存在「外界」的，我們不斷在消耗著能量，且不可逆，熵不斷在增加正在走向它的最大值，因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態，就完全死亡。這種情景稱為「熱寂」，這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。

而這引來部分科學家的反對，他們宣稱熵增原理只能適用於由很大數目分子所構成的系統及有限範圍內的宏觀過程。而不適用於少量的微觀體系，也不能把它推廣到無限的宇宙。

由於涉及到宇宙未來、人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的範圍已經遠遠超出了科學界和哲學界，成了近代史上一樁最令人懊惱的疑案。

但不管怎麼樣，熵增原理作為熱力學四大定律之一，指導著熱力學的研究，在物理學中發揮著重大的作用。