《热力学史—能量与熵的学说》评论赠书！热设计工程师值得拥有

生命是一本关于破坏的文集。你构建的一切都最终会崩溃。你爱的每个人都会死去。任何秩序或稳定感都不可避免地湮灭。整个宇宙都沿着一段惨淡的跋涉走向一种沉闷的终极动荡状态。

为了跟踪这种宇宙衰变，物理学家采用了一种称为熵的概念。熵是无序性的度量标准，而熵总是在上升的宣言——被称为热力学第二定律——是自然界最不可避免的宿命之一。

长期以来，我一直被普遍的混乱倾向所困扰。秩序是脆弱的。制作一个花瓶需要艺术性和几个月的精心策划，但用足球破坏它只需要一瞬间。我们一生都在努力理解一个混乱和不可预测的世界，在这个世界里，任何建立控制的尝试似乎都只会适得其反。热力学第二定律断言机器永远不可能完全高效，这意味着无论宇宙中结构何时涌现，它最终都只会进一步耗散能量——无论是最终爆炸的恒星，还是将食物转化为热量的生物体。尽管我们的意图是好的，但我们是熵的代理人。

“除了死亡、税收和热力学第二定律之外，生活中没有什么是确定的”，麻省理工学院的物理学家 Seth Lloyd写道。这个指示是无法回避的。熵的增长与我们最基本的经历深深交织在一起，解释了为什么时间向前发展，以及为什么世界看起来是确定性的，而不是量子力学上的不确定性。

尽管具有根本的重要性，熵却可能是物理学中最具争议的概念。“熵一直是个问题，”Lloyd告诉我。这种困惑，部分源于这个词在学科之间“辗转反侧”的方式——从物理学到信息论再到生态学，它在各个领域都有相似但不同的含义。但这也正是为何，要真正理解熵，就需要实现一些令人深感不适的哲学飞跃。

在过去的一个世纪里，随着物理学家努力将迥异的领域整合起来，他们用新的视角看待熵——将显微镜重新对准先知，将无序的概念转变为无知的概念。熵不被视为系统固有的属性，而是相对于与该系统交互的观察者的属性。这种现代观点阐明了信息和能量之间的深层联系，现在正在帮助迎来一场最小规模的微型工业革命。

在熵的种子被首次播下 200 年后，正在兴起的是一个关于这个量的观念，它更像是机会主义而不是虚无主义。观念进化正在颠覆旧的思维方式，不仅仅是关于熵，而且是关于科学的目的和我们在宇宙中的角色。

     

     

火的原动力

     

     

卡诺意识到，蒸汽机的核心是一台利用热量从热物体流向冷物体的趋势的机器。他描绘了可以想象到的最高效的发动机，对可以转化为功的热量比例建构了一个界限，这个结果现在被称为卡诺定理。他最重要的声明是这本书最后一页的警告：“我们不应该期望在实践中利用可燃物的所有动力”。一些能量总是会通过摩擦、振动或其他不需要的运动形式来耗散。完美是无法实现的。

几十年后，也就是 1865 年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯 （Rudolf Clausius） 通读了卡诺的书，创造了一个术语，用于描述被锁定于无效中的能量比例。他称之为 “熵”，以希腊语中的转换一词命名。然后，他提出了后来被称为热力学第二定律的东西：“宇宙的熵趋于最大”。

那个时代的物理学家错误地认为热是一种流体（称为“热量”）。在接下来的几十年里，他们意识到热量是单个分子碰撞的副产品。这种视角的转变使奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼 （Ludwig Boltzmann） 能够使用概率重新构建和强化熵的概念。

玻尔兹曼将分子的微观特性（例如它们的各自位置和速度）与气体的宏观特性（如温度和压力）区分开来。考虑一下，不是气体，而是棋盘上的一组相同的游戏棋子。所有棋子的精确坐标列表就是玻尔兹曼所说的“微观状态”，而它们的整体配置——比如说，无论它们形成一个星形，还是全部聚集在一起——都是一个“宏观态”。玻尔兹曼根据产生给定宏观状态的可能微观状态的数量来定义该宏观状态的熵。高熵宏观状态是具有许多相容的微观状态的宏观状态 — 许多可能的棋盘格排列，产生相同的整体模式。

棋子可以呈现看起来有序的特定形状的方式只有这么多，而它们看起来随机散布在棋盘上的方式要多得多。因此，熵可以被视为无序的度量。第二定律变成了一个直观的概率陈述：让某物看起来混乱的方式比干净的方式更多，因此，当系统的各个部分随机地在不同可能的配置之间切换时，它们往往会呈现出看起来越来越凌乱的排列。