在中學物理中,我們學習過一個概念,叫做熵。所謂的熵,就是一個環境的混亂程度。在沒有外力干擾的情況下,熵永遠都是自發在增加的,也就是說,一個不受外力的環境,始終有變得越來越混亂的趨勢。
熵增定律被很多人奉為「宇宙的終極法則」,在我們目前的認知範圍內不會被打破。那麼,實際上真的是這樣嗎?
當我們把眼光放到整個宇宙,時間也看得更加久遠的時候,就會發現:這個法則也不是完全適用於所有的情況。
在大約50億年前,距離銀河系中心大約2.5萬光年的位置上,有一團彌散的星際雲。這片星雲里有著無數的原子、分子,它們無拘無束,隨意地在宇宙中漂泊。
某一天,在這個星雲里的某一個角落,有幾顆粒子碰到了一起,它們沒有彈開,而是「從哪裡跌倒,就在哪裡睡一覺」,留在了這個位置。接下來,周圍的粒子發現這裡很熱鬧,也想加入。於是在這幾顆已經聚集的粒子的引力下,周圍的粒子們也紛紛靠近,聚集了更多的粒子,也產生了更加巨大的引力。經過漫長的歲月,附近所有的粒子都集中到了一起,形成了一個巨大的天體——太陽。
原本彌散在宇宙空間、無拘無束的粒子,在引力的作用下束縛在一顆直徑接近140萬公里的球內,而不再到處亂跑。不論從哪個角度來看,似乎我們都無法看出這是一個熵增的過程。
讓我們把眼光放得更加久遠,來到宇宙形成伊始的時期。
在宇宙大爆炸的時候,整個宇宙並沒有任何宏觀物質,而是最小的微粒(如夸克,如果弦理論成立的話就是弦)。它們是最基本的物質,也是宇宙中數量最多的物質。隨著宇宙的冷卻,它們開始一點點結合,於是出現了質子、中子、電子等其他基本微粒。而質子在電離後(這叫做宇宙的再電離期),互相有了吸引力,於是成對結合,出現了氫原子。
原本雜亂不堪的最小微粒,結合成了基本微粒。混亂的基本微粒再結合,形成了各種原子,以至於未來的分子、天體。很明顯,這是物質趨於穩定的一個過程。
再把眼光轉向地球。在幾十億年前,地球還是一個混亂的世界,死氣沉沉。某一天,突然有幾個四處漂泊的有機分子走到了一起。它們發現,與其到處流浪,不如大家結合在一起。就這樣,它們組成了更加複雜的有機分子。新的有機分子不斷發展,有了越來越多的功能,以至於可以吸收周圍環境的物質,來繼續壯大自己。它們和其他有著同樣野心的有機分子聯合起來,並且製造出一張膜來保護自己這個環境,來躲避外界的紛紛擾擾。顯然,這也是它們主動尋求著一種穩定的環境。通過這樣一個穩定的環境,它們能夠長期生存下來,甚至複製出了自己的同類。經過幾十億年的時間,演化成了今天的各種生物。
從上面幾個例子,我們驚訝地發現:在熵增法則支配的宇宙下,很多物質竟然在沒有外力的情況下,主動尋求著穩定。那麼,熵增法則到底正確麼?
事實上,對於這個問題,我們要做一個區別,那就是環境。我們說的熵增法則,是針對於一個大環境來說,比如宇宙。而前面那些自發形成穩定系統的物質,是大環境下的小環境。
比如創生伊始的宇宙,儘管微粒之間在不斷地結合以穩定自己的狀態,但隨著體積的暴增,整個宇宙是越來越混亂的。在太陽系內,也是一樣的,儘管星子結合成了天體,但天體的混亂排布,也會導致組成它的所有粒子隨著它一起亂竄,後面舉例的生物依然。
或者,我們可以換一個說法。所謂的熵增,表面上看是物質主動趨於混亂的狀態,究其根本,其實是能量的分布變化——能量變得越來越不平均了。就像前面說的太陽系,能量不再平均分布在太陽系的空間中,而是聚集在某幾顆巨大的天體上了。
換回剛才的說法就是:不論太陽系怎樣變得穩定,整個宇宙都在不斷膨脹、越來越混亂。因此,熵增法則,從這個角度來說,依然是無法挑戰的。