宇宙能量的主要组成成分

热力学第二定律

研究能量，通常就是认真仔细地考察热流和温度的变化，因为这是这个课题最容易在实验室加以处理的方面，而且还因为在蒸汽机成为把能量转化为功的主要手段的那个时代这一点显得特别重要。由于这个缘故，探讨能量变化、能量流和把能量转化为功的这门科学就称作“热力学”。这个术语也出自希腊语词组，原意是“热运动”。

能量守恒定律有时被称为“热力学第一定律”。这是因为，它是涉及能量时决定着会发生什么和不会发生什么的一条最基本的规律。

至于从能量的非均匀分布到均匀分布的那种变化，科学家们称之为“热力学第二定律”。

早在1824年，当法国物理学家卡诺（Nicolas L.S.Carnot，1796—1832）首先详细研究蒸汽机中的热流时，这个热力学第二定律就已显出了它的雏形。

但是直到1850年，德国物理学家克劳修斯（Rudolf J.E.Clausius，1822—1888）才指出，这种均匀化过程适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件。所以，通常都认为是克劳修斯最先发现了热力学第二定律。

克劳修斯向人们证明，在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量对于这种均匀化过程是十分重要的。他把这个物理量取名为“熵”。熵越低，能量分布就越不均匀。既然自发趋势似乎总是使得从能量的非均匀分布变化为均匀分布，那么我们就可以说，自发趋势似乎总是使得一切事物的运动都是从低熵到高熵。

于是我们可以作如下的表述：

热力学第一定律：宇宙所包含的能量数量保持恒定不变。

热力学第二定律：宇宙所包含的熵的数量在逐渐增加。

如果说热力学第一定律似乎暗示了宇宙的不朽，那么第二定律实际上告诉我们，这种不朽在某种意义上毫无价值。能量倒会总是在那里，可是它不会总是能引起变化、运动和做功。

有朝一日，宇宙的熵将会达到一个最大值，那时能量完全被均匀化。在那以后，虽然全部能量都仍然在那里，可是不再会有任何变化，没有运动，不做功，没有生命，也没有智慧。那时宇宙将仍然存在，可是却处于一种冻结状态。就好似影片停止了移动，我们将永远看到一幅静止的“定格画面”。

因为热量是能量的组织得最差的一种形式，它最易于均匀散布，所以从任何非热形式的能量向热形式的能量变化都意味着熵的增加。于是，自发变化便总是从电转化成热，从化学能转化成热，从辐射能转化成热，等等。

因此在熵成为最大时，一切能转化成热的能量形式都将转化无遗，而宇宙的一切部分都将处于同样的温度。这种情形有时被说成是“宇宙热寂”，而且就目前为止我们已谈过的内容来看，似乎这就意味着一种不可避免的和无法抗拒的结局。

由此可见，神话宇宙和科学宇宙的结局迥然不同。神话宇宙结束于一场天劫大火，一切顿时分崩离析，它将轰地一声突然完蛋。科学宇宙倘若难逃热寂的厄运的话，它将会是逐渐耗尽气力在呻吟中慢慢死去。

神话宇宙的结束，看来，人们总是料想它在不久的将来就会发生；而由热寂所引起的科学宇宙的结束，则是非常久远的事情，至少也要推迟到1万亿年以后，甚至许多万亿年以后。按照流行的估计，目前宇宙才只有150亿年的历史。由此可见，我们今天才不过处于宇宙一生的襁褓时期。

可是，神话宇宙的结束虽然一般认为是激烈的，而且距今不远，它却比较易于被人认可，因为它给人带来复苏重现的可能；而由热寂引起的科学宇宙的结束虽然比较平和，而且推迟到久远的将来，但由于它看来未显示出复苏重现的可能，而是最后的终结，所以显然倒难于被人接受。人们要寻找出路。

原来，自发过程实际上是可以逆转的。水可以由抽水机克服它追求稳定水平面的倾向而被抽到高处。在冰箱中，物体可以被冷却到室温以下并一直保持低温；或者，也可以用炉子把物体加热到室温以上并使它一直保持高温。由此看来，那不可抗拒的熵增加似乎也是可以战胜的。

有时，为了说明熵增加的过程，可以把宇宙想象成一座复杂无比的巨大时钟，它正在走动，缓慢地放松发条。诚然，我们平常的时钟在走动时也会逐渐放松发条，但是，我们总可以把它的发条重新上紧。对于宇宙，难道就没有与此类似的过程吗？

其实，我们无须借助想象便不难想到，只通过人类的有意识的活动便可以让熵减少。撇开人类的智力不论，生物本身似乎就不服从热力学第二定律。一个人死了，又有新的人生出来，过去和今天都是年轻人的天下。植物在冬天枯死，到了春天又会重新生长。生物在地球上已持续了三十几亿年，而且毫无衰落的迹象。事实上，种种迹象表明，发条反而越来越紧；在地球上生物的全部历史中，不论生物的个体还是把它们编织在一起的那张生态网，都一直是变得越来越复杂。一部生物进化史就代表熵的一种巨大减少。

由于这个缘故，有人就想干脆把生物定义为一种熵减少装置。倘若果真如此，那么宇宙就不会走向热寂，因为，只要有生物在施加其影响，它们就会采取行动让熵减少。不料，这种思考方式其实是大错特错。生物并不是一种熵减少装置，它们本身实在也无法防止热寂。所以有这种想法完全是一厢情愿和一知半解。

热力学定律都只适用于封闭系统。如果用抽水机把水抽上山来使熵减少，那么就必须把这台抽水机也算作这个封闭系统的一部分。如果用冰箱把物体冷却到室温以下来使熵减少，那么这台冰箱也必须算作这个系统的一部分。无论抽水机还是冰箱，都不能单独算作一个系统。它们无论同什么东西连接，无论从什么东西取得动力，都必须把那些东西也算作系统的一部分。

无论什么时候靠人和人制造的工具去减少熵和使一个自发过程逆转，结果表明，参与这一活动的人和人的工具都会有熵的增加。而且，人和人的工具的熵的增加必定总是大于整个系统中自发过程被逆转的那一部分的熵的减少。因此，这整个系统的熵便会增加，而且总是增加。

诚然，一个人在一生中可以逆转许许多多的自发过程。许多人一起工作还建起了今天巨大的技术网，从埃及的金字塔和中国的万里长城，直到最新式的摩天大楼和水坝。那么，人类能够承受住这样大的熵增加而且还能这样继续干下去吗？

同样，我们不能只考虑人本身，他们并不构成封闭系统。一个人要吃，要喝，要呼吸，要排泄废物；这些全都是同外部宇宙联系的、熵可以由之进出的管道。如果你想把一个人看作一个封闭系统，你就得同时考虑他吃喝进的和吸进的东西，以及他排泄出来的东西。

一个人在把自发过程逆转，把正在松懈下来的宇宙中他力所能及的那一部分不断上紧发条时，他的熵会随之升高。而且，正如我已经谈过的，他的熵的增加还会补偿他所引起的熵的减少且绰绰有余。但是，一个人却会通过吃、喝、呼吸和排泄来不断地重新降低自己的熵。（这种降低当然是不充分的，所以一个人哪怕不遭遇偶然事故和不生病，他最终还是会死去，因为他身上这里或那里总有一些地方当熵升高以后便无法复原。）

不过，这个系统中食物、水、空气和排泄物这些部分中熵的增加也是远超过人体内熵的减少。因此，就整个系统而言，净结果仍然是熵的增加。

事实上，不仅人是如此，一切动物之所以能欣欣向荣，能够使它们的熵维持在一个低水平，全都是以它们食物的熵的巨大增加为代价，而这些食物，归根结底，就是地球上的植物。那么，植物界又为什么得以继续存在呢？要知道，如果植物的熵只是不断地增加的话，它们是不会存在多久的。

植物界通过一种称为“光合作用”的过程生产出动物界赖以生存的食物和氧气（空气的重要成分）。它们已经这样进行了几十亿年。然而，植物界和动物界两者合在一起仍然构不成一个封闭系统。原来，植物是从太阳光取得那推动它们生产食物和氧气所必需的能量。

由此可见，是阳光使得生命成为可能，只有把太阳本身也当作生命系统的一部分包括进来，我们才可以把热力学定律用于生命。的确，太阳的熵总是升高，而且升高的数量远远超过了生命所能引起的任何熵的减少。于是，包括生命和太阳在内的这个系统的熵的净变化就十分可观，而且总是不断增加。这样看来，生物进化所代表的相当不小的熵的减少只不过是太阳所代表的潮水般的熵增加中的一点小小的涟漪；只见涟漪而不见潮水，显然是对热力学现象的彻底误解。

人类除了他们吃进的食物和吸进的氧气外，还使用着其他能源。他们利用风和流水的能量，然而风是由于地球表面被太阳不均匀加热产生的，流水起源于太阳对海洋的蒸发，这两者都是太阳的产物。

人类还使用燃料来获得能量。然而，这些燃料或者是木柴，或者是其他植物产品，它们归根结底都产生于来自太阳的光线。这些燃料也可能是动物油或者其他动物产品，而动物则是以植物为食。这些燃料可以是煤，它们是过去古老年代植物的产物；还可以是石油，它们是过去古老年代微观动物的产物。总之，所有的燃料都可以最后追溯到太阳。

地球上也有一部分不是来自太阳的能量。这其中包括深藏在地球内部的热能，温泉、间歇泉、地震、火山和地壳漂移等现象就是由它引起的；包括地球自转包含的能量，潮汐现象就是它存在的证据；还包括在无机化学反应中和在放射过程中释放出来的那两种能量。

所有这些能源全都引起变化，然而不论在哪种情形中，熵总是增加。放射性物质会慢慢地衰变而消耗殆尽，一旦它们不再产生热量补充地球内部的热能，地球就会冷却；潮汐摩擦也会缓慢地逐渐减慢地球的自转；如此等等。即使太阳，随着它的熵的增加，最终也将耗尽它的能够做功的能量。生物进化过程在过去三十几亿年里依靠所有这些能源的熵增加似乎一直是一个相当不错的熵减少的过程，而且看来今后还会如此。可是，这个过程却无法阻止总的熵的增加。

在这样一种漫长的进程中，看来，没有什么因素能防止熵水平的不断升高，或者说，没有什么因素能避免熵达到它的最大值；到那时候，宇宙将成为一片热寂。即使人类能逃脱所有其他的灾变，从现在起还能存在若干万亿年，可是，他们最终不是也会随着宇宙热寂的必然到来而逃不脱灭亡的命运吗？

根据我前面讲过的内容，看来确实如此。