什么是熵?从生活里的例子说起
2023-07-07 来源:飞速影视
每年秋天,树木从绿变成红黄,树上叶子颜色的变化是随机的。当树叶落下时,它们不会整齐地堆积起来,它们只是会掉落在地上。同样地,当你把一副牌扔到地板上时,它们也不会按照花色或号码来排列。你的办公桌如果不清理,一定会变得越来越乱,而不会自动变整齐。如果一个灯泡掉到地上摔碎了,它永远不可能自己复原。
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灯泡碎了不能自己复原
而这一切都是因为熵。
熵是系统趋向无序的一种趋势,是无序的量化。一副牌在你扔的时候不会自动重组,因为保持无序更加容易。让我们想想根据大小和花色来排列纸牌所花费的精力:你必须拿起一张纸牌,将它与其他纸牌进行比较,将它分类,然后再排列。你必须一遍又一遍地重复这个过程,直到所有52张牌都被比较和排列好,这需要大量的能量。
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什么是熵?从生活里的例子说起
很久以前,在19世纪,鲁道夫·克劳西斯等科学家们就认识到了这种向低能发展的自然趋势,并试图对其进行量化,从而产生了熵的概念。熵解释了为什么热量会从温暖的物体流向寒冷的物体,解释了为什么气球在充满太多空气时就会爆开,它为更复杂的理解铺平了道路,从保持针的垂直平衡到描述蛋白质为什么会以特定的方式折叠。熵给了所有科学过程一个真正的方向。
今天对熵的现代理解是双重的。一方面,熵是一个宏观的概念,可以来描述落叶之类的东西。然而,在微观层面上,熵是高度统计的,它植根于不确定性原理。举个例子,气态物质的原子或分子可以在它们所占据的任何空间中自由移动。如果你能看到盒子里的气体,你会观察到微小的原子在墙壁间不规则地弹跳,偶尔会相互碰撞,并相应地改变方向。如果你记录下这个系统的温度和压强,你也就有效地测量了它的宏观熵——如果气体的温度很高,它的分子就会混乱地四处移动,它的熵,也会非常高,熵可以量化这种混乱。
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