著名物理学家薛定谔曾在其著作《生命是什么》里说，“人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生。”

清华大学科学史系教授吴国盛也曾表示，如果物理学只能留一条定律，我会留熵增定律。

就连现代物理学的开创者爱因斯坦也认为“熵增定律”是科学定律之最。

(资料图片仅供参考)

“熵增”到底是什么奇怪定律，引得无数科学家为之着迷？为什么生活中偏偏追求低熵？今天，就和大家浅谈一下“熵”。

薛定谔 图源：维基百科

熵（Entropy）这个概念，是由德国物理学家克劳修斯于1865年提出，希腊语中意为“内在”，即“一个系统内在性质的改变”，公式中一般记为S。

熵代表了系统的混乱程度，系统越有序，熵值就越小；系统越无序，熵值就越大。

由能量守恒定律我们知道能量的总和是不变的，可能量却无法百分百地转换，这些损耗的能量就是熵。

熵增定律作为热力学第二定律的一种表述形式，认为在一个不受外界影响的孤立系统内，能量只能朝着一个方向转化，即从可利用到不可利用，从有效到无效，从有秩序到无秩序。

是不是还是觉得云里雾里？

举个例子，假设你的面前放置着一杯冰水和一杯常温水，你觉得哪个混乱度更高？相信大多数人会说冰水，但其实水的混乱度更高。我们都知道水和冰都是由水分子构成的，不同的是水分子和水分子之间的距离不一样。

冰具有四面体晶体结构，这个四面体是通过氢键形成的，晶体中水分子之间距离小，排列规律有序。而液体水的形成拆散了大量的氢键，使得分子间排列变得无序，故熵变大，混乱度升高。

此外，日常生活中类似的熵增现象也比比皆是。比如，系好的鞋带会松开，手机会越用越卡，家里铺得很整齐的床单睡过后会变乱等，这些都是熵增现象。

做家长的人也一定深有感触，孩子们玩玩具时如果没有约束，一定会把屋子搅得天翻地覆、无从下脚。当我们把一个玩具看作是元素，把所有玩具看作为一个系统时，这个系统从整齐变成了混乱。这时候，要想找到某个心爱的玩具就变得非常困难，因为它可能出现在任何角落。这个场景也蕴含了熵增的原理。

我们也可以通过可能性或概率的方式来考虑熵。比如屋子里有100个可以放置物品的位置，需要摆放20件物品。通过组合，可以算出20件物品放置在100个位置上，其总的放置方法是一个巨大的数字：

如果将下图中上半部分的放置方法定义为“整洁”，也就是说图中20件可以移动的物品都放在了合适的位置，其余放置方法都统称为“混乱”。那么：

长久地保持这样的“整洁”几乎是不可能事件，“混乱”则是必然，所以“整洁”很容易变为“混乱”，这说明了任何事物都是朝无序以及熵增方向发展的。

熵增定律进一步认为，宇宙万物都是从一定的价值与结构开始，然后不可挽回地走向混乱、荒废。无论在地球上还是宇宙或任何地方建立起任何秩序，都会以周围环境更大的秩序混乱作为代价。

就好像我们身处的巨型城市和城市中的摩天大楼，它们造成了能量的过度投入与四处耗散：例如煤炭燃烧的能量并没有消失，而是经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到了空间中；食品的过度包装，也是在大量消耗地球能量；塑料、金属未经回收利用，被掩埋到环境中。

这些都产生了熵或能量的废弃，因此，低熵农业、低熵工业、低熵生活、低熵社会等等已经成为人类为维系自身生存所必须做的事情。

在默认情况下，我们生活中的每件事都处于高熵状态，除非我们倾注更多的精力和注意力。正如水从高处流到低处，电流从高势能流向低势能。如果没有外力做功的情况下，所有的事物都在向着无序和混乱发展。

所以，当熵增定律回归日常生活中，我们知道自律比懒散痛苦、放弃比坚持轻松，但假如我们不去对抗熵增规律的话，大至宇宙，小到企业、团队，甚至个人的自我管理，都会随着时间的推移越发脱离掌控。

撰稿人：

北京建筑大学环境与能源工程学院副教授 邢美波

北京市科协2021-2023年度青年人才托举工程被托举人