熵與時間第三集,複雜性與宇宙的未來

關於複雜性和熵之間的區別,以及當熱力學第二定律的總體趨勢是增加熵時,我們如何看到宇宙中出現的生命,行星,星系,人類,智力,意識等複雜事物和這些混亂混合體。事實證明,重力坍縮和其他複雜結構(如咖啡和牛奶混合時形成的卷鬚)自然地作為增加熵的路徑的一部分出現而已。

熵與時間第三集,複雜性與宇宙的未來

整個宇宙的熵或者說混亂程度逐漸增加的這種趨勢,被物理學家稱為熱力學第二定律。這種秩序崩潰的傾向可能讓你認為是有組織的結構——如生命,應該無法自行生成。當然話說回來,宇宙的某個部分,或者某一部分熵可能減少,你可以用該處熵的下降(例如把一杯水凍成冰塊),換來其他地方相等或者更多熵的增加(例如你在凍水時冰箱所釋放出的熱能),一個地方的秩序增加只會換來另一個地方的混亂。

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但是我們可能還是要問:若是一切都將趨於無序,一些複雜的結構怎麼可能在宇宙中出現?秘訣就在於熵與複雜度其實是不同的概念,我們所知道的熵是度量微觀粒子在宏觀特性相同的前提下能有幾種排列方式。比如:攝氏37度,棕色頭髮,足球踢得很好等等。在這些條件下有很多組合方式。而複雜度,是說明要描述一件宏觀事物的特性有多難。簡單的系統很容易描述,複雜的系統則需要更多的資訊。

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好比說杯子裡有一半咖啡和一半牛奶,初始狀態的熵相對較低,你可以隨意互換咖啡分子,或互換牛奶分子,而不會改變其根本性質,但你若是把咖啡分子和牛奶分子對調就有差異了。嗯,狀態也很簡單,牛奶在上,咖啡在下,此時牛奶和咖啡開始混合,熵便上升了:當兩者交融把一些咖啡分子和牛奶分子交換,不會產生那麼大的差別,這個系統也就變得複雜了,要描述這種景象,你得精確描繪那些漩渦中的牛奶和咖啡分子是如何盤旋的,接著熵會繼續增加,直到咖啡和牛奶徹底混合無論如何調換分子都不會產生差異,這就叫均衡。分子有太多種排列方式,但看起來都沒什麼兩樣,但這種完全混合的均衡再次變得簡單:完全就是一杯牛奶咖啡或者是咖啡牛奶。在這個混合體裡,沒有任何碎形漩渦。

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以上這種規律不斷重演:當熵增加,複雜度先增加後下降,也就是說複雜度可以是熵上升過程中的自然現象,這種現象最好的例子其實就是宇宙本身。早期的宇宙非常均勻而且緻密:熵很低,複雜度也低。遙遠的未來也會很均勻,但非常空洞,熵很高,複雜度卻又很低。而如今的宇宙熵介於中間,而所有事物顯得就很複雜。恆星,星系,岩石中的礦脈,翻騰的雲,氨基酸,蛋白質,人,喵星人等等等等。我們正處於刺激而壯麗的“咖啡”混合時代!但一如咖啡與牛奶,在久遠的未來複雜度會再次下降,複雜的事物如我們,最終將會分解消失。

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我們的宇宙可能最後還是會將以悲劇收場,這讓我想起了很久以前看過的一部小說,一切終將逝去,唯有死神永生。


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