熵与时间第三集,复杂性与宇宙的未来

关于复杂性和熵之间的区别,以及当热力学第二定律的总体趋势是增加熵时,我们如何看到宇宙中出现的生命,行星,星系,人类,智力,意识等复杂事物和这些混乱混合体。事实证明,重力坍缩和其他复杂结构(如咖啡和牛奶混合时形成的卷须)自然地作为增加熵的路径的一部分出现而已。

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整个宇宙的熵或者说混乱程度逐渐增加的这种趋势,被物理学家称为热力学第二定律。这种秩序崩溃的倾向可能让你认为是有组织的结构——如生命,应该无法自行生成。当然话说回来,宇宙的某个部分,或者某一部分熵可能减少,你可以用该处熵的下降(例如把一杯水冻成冰块),换来其他地方相等或者更多熵的增加(例如你在冻水时冰箱所释放出的热能),一个地方的秩序增加只会换来另一个地方的混乱。

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但是我们可能还是要问:若是一切都将趋于无序,一些复杂的结构怎么可能在宇宙中出现?秘诀就在于熵与复杂度其实是不同的概念,我们所知道的熵是度量微观粒子在宏观特性相同的前提下能有几种排列方式。比如:摄氏37度,棕色头发,足球踢得很好等等。在这些条件下有很多组合方式。而复杂度,是说明要描述一件宏观事物的特性有多难。简单的系统很容易描述,复杂的系统则需要更多的资讯。

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好比说杯子里有一半咖啡和一半牛奶,初始状态的熵相对较低,你可以随意互换咖啡分子,或互换牛奶分子,而不会改变其根本性质,但你若是把咖啡分子和牛奶分子对调就有差异了。嗯,状态也很简单,牛奶在上,咖啡在下,此时牛奶和咖啡开始混合,熵便上升了:当两者交融把一些咖啡分子和牛奶分子交换,不会产生那么大的差别,这个系统也就变得复杂了,要描述这种景象,你得精确描绘那些漩涡中的牛奶和咖啡分子是如何盘旋的,接着熵会继续增加,直到咖啡和牛奶彻底混合无论如何调换分子都不会产生差异,这就叫均衡。分子有太多种排列方式,但看起来都没什么两样,但这种完全混合的均衡再次变得简单:完全就是一杯牛奶咖啡或者是咖啡牛奶。在这个混合体里,没有任何碎形漩涡。

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以上这种规律不断重演:当熵增加,复杂度先增加后下降,也就是说复杂度可以是熵上升过程中的自然现象,这种现象最好的例子其实就是宇宙本身。早期的宇宙非常均匀而且致密:熵很低,复杂度也低。遥远的未来也会很均匀,但非常空洞,熵很高,复杂度却又很低。而如今的宇宙熵介于中间,而所有事物显得就很复杂。恒星,星系,岩石中的矿脉,翻腾的云,氨基酸,蛋白质,人,喵星人等等等等。我们正处于刺激而壮丽的“咖啡”混合时代!但一如咖啡与牛奶,在久远的未来复杂度会再次下降,复杂的事物如我们,最终将会分解消失。

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我们的宇宙可能最后还是会将以悲剧收场,这让我想起了很久以前看过的一部小说,一切终将逝去,唯有死神永生。


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