个人认知 | 能量的本质与探索发现熵的历程
如今世界上只有人类的地方，高楼林立，灯火万家，生生不息地繁荣足迹，古往今来人类文明的进步，一切都是利用与操控能量，因此巨大的改善我们的生活。
纵观整个人类史，我们人类想尽一切方法从自然界中获取能量，从采摘水果到燃烧木块，从轮船到汽车，从蒸汽时代到现代核电站。我们生活工作学习吃喝拉撒，甚至几乎所有战争，都是为了争夺资源为主的能量大战。
我们使用能量来建造各种保护自己的建筑，使用能量来运输物资并照亮自己的家园。无论生活中的生产与消费，更关键的是，生命自身也时刻需要消耗能量。
因此，能量对我们所有人而言都是至关重要的。
说不好听点，如果没有能量，我们就没有食物，也就没有生命！
事实证明，能量不仅对我们的日常生活至关重要，也助于我们理解整个宇宙的真相。
能量，究竟到底是什么呢？它是如何存在的？
人类是如何发现能量的真正本质呢？为何能量对我们如此的重要呢？
回答这些问题，科学家们也是不断地提出了一些奇怪的定律，将万事万物联系在一起，包括能量、人类、恒星等等，一一解开这些人类千万年的迷团，并改变了人类文明。
莱布尼兹发现“活力”
几千年来，当人类进化到使用自然界的力量，比如风力、水力等自然界能源，此后再也没有什么进展，我们人类只有步履蹒跚地前行，不断地探索与发现，希望上天对我们多点眷顾。
幸运的是，大约在300年前，难以置信的改变，竟然发生了！
一位最早尝试着去理解能量的人，戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz），感应到一种神奇的力量在召唤。
莱布尼茨，是德国哲学家、数学家，历史上少见的通才，他不断地尝试着去理解、不断尝试了解宇宙的运行规则与机制。
与同时代的几位伟人一样，绝对的相信我们所看到的周围世界是一架无比庞大的机器，由万能的上帝创造的。
当年1676年，莱布尼茨将神学、哲学与工程学、力学紧紧的联系在一起，着手研究一个粗看起来似乎很简单的问题：
当物体碰撞时，会发生什么情况呢？
这是莱布尼茨和同时代的许多人，努力要解决的重大问题！
当两个物体相撞时，一个物体瞬间改变了方向，似乎两者之间传递了什么东西！
莱布尼兹把它称作“活力”（living force）。
他将其理解为某种东西，一种客观存在的且在碰撞时可以传递的物质。
此外，莱布尼兹还观察到了一些别的事物，认识到火药、火焰、蒸汽都够以无比迅猛、强大的方式释放出他所称谓的活力。
并且思考：如果能够驾驭，它能给人类提供无法想象的巨大力量！
莱布尼茨全身心投入研究，尝试着各种方法来获取活力。
与一位年轻的法国科学家丹尼斯·帕潘 (Papin Denis)经过书信交流。
因此，他们领悟到：
在一定条件下释放出的活力可以被利用，热能可以转变成其他形式的有用功。
当时，帕潘交流书信摘录的一句话非常震憾：
“依照这个理论，人的力量可以放大无数倍。但在实践中可以毫不夸张的说，一个人通过这种途径所能完成的工作量抵得上以往100个人的工作量。”
多么巨大的远见！
可惜的是，虽然他们的思想毫无疑问是深刻且影响深远，时代条件的不允许，让他们并没能实现更进一步的推进。
具体如果要实现那些效果，得有更多的人力物力财力技术等一切前提基础。
确实，在莱布尼茨与帕潘讨论的150年后，“活力”已经广泛的得到应用。
这类应用就是：蒸汽机！
19世纪的前沿技术，那是他们梦想中的各种机械已经成为现实！
蒸汽机了解整个宇宙的起点
此时，如果你回顾下文明的进步，蒸汽机是一个重要的标志，因为它用蒸汽取代了旧时代的畜力，包括我们的人力。蒸汽的力量无比巨大且非常重要的，完成了几乎不可想象的诸多工作，尤其是人力无法涉及的动力工作。
蒸汽技术不仅仅改变了人类社会，它将揭示莱布尼茨所称的活力的真相，也为揭示宇宙的运作之迷。
尽管获得了巨大的成功且有着强大的力量，引擎却依然令其创造者们感受着众多的困惑与神秘。
蒸汽机它们究竟是如何运作并为何能运作的？它们的工作效率是多少？它们的力量有上限吗？
因此，早期蒸汽机，竟然是一个了解整个宇宙中一切的起点。
揭开宇宙真相：研究热与运动的新学科，这就是《热力学》。
萨迪·卡诺热力学
一位法国青年工程师、拿破仑第一执政手下的战争部长：尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot），
当年，法国在整个欧洲击败后，萨迪·卡诺下决心要重新夺回法国的骄傲，发誓要真正的理解蒸汽机的运作，使之服务于法国的利益。
萨迪·卡诺当时正式表达认为：如果你夺走了英国的蒸汽机，大不列颠帝国就会崩溃。
1824年，萨迪·卡诺写下了不朽的名作《关于火的动力》，他创立并抽象化了所有的热机的基本工作原理。
他在文章指出：所有的热机都包含着一个热源与一个冷却系统。
热是物质的某种形式，能够像水一样，从高温处流向低温。
并深刻的认为：
为了提高热机的效率，你所要做的就是设法增大热源与冷却系统之间的温度差。
萨迪·卡诺为热力学做出了第一个重大贡献，这个思想指导了世界上的工程师们200多年！
热力学第一定律出现
因为萨迪·卡诺的发现，19世纪中叶，科学界对热力学的研究热情日益高涨，迅速意识到这些思想的价值重大。
科学家和工程师们已能非常精确地计算，彼此能相互转换的不同种形式的能量。
他们测量出一种特定形式的能量能在数量上，等价于另一种不同形式能量。（加热水使之温度升高一摄氏度，使物体上升刻度所需要的能量相等。）
人们进一步意识到，虽然机械做工与热看起来似乎完全不同，其实它们都属于同一事物：能量。
随后，这个思想成为著名的热力学第一定律，该定律为：能量不会增加或消失，它只是从一种形式转换另一种形式。
19世纪的科学家们认识到，这意味着宇宙中的总能量是固定不变的。
神奇的是，一部分所消耗的能量并未消失，只是转换成了其他形式的能量。
因此，蒸汽机并不能创造能量，它只是将热能转变成机械能而已。
尽管热力学第一定律令人印象深刻，但它开启了一个庞大问题：
能量转变究竟是怎么一回事？
为何只有一部分能量发生转变而不是全部？
克劳修斯探索到宇宙的真相：熵
为了解决这个问题，数学家开始隆重登场！
德国数学家鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯（Rudolf Julius
Emanuel Clausius），寻找到了部分答案，并以此为基础形成了著名的热力学第二定律，对热力学非常详尽的描述，运用逻辑严密的数学分析。
克劳修斯认为，不仅宇宙中能量守恒，而且能量似乎还遵守着非常严格的规则。
简而言之，以热为形式的能量，总是向一个特定的方向移动。
这个见解，是科学界中最重要的思想之一。
克劳修斯表述：热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体上，这是一个很直观的想法。
比如说，一杯热茶，如果不加干涉，它一定会渐渐变冷，与周围的空气温度一样。
温度的热量始终从高往低方向消散的，不断地往一个方向消散。
看起来似乎很明显，却是一个如此至关重要的领悟。
因此，热能不可逆的流动进程似乎整个宇宙运作的根本基础。
当然，物体也能够升温，但你肯定得需要对它做些什么，才会产生升高温度的结果。
如果不作干预的话，能量似乎总是从密集、有序向分散、杂乱的方向传递、转化。
克劳修斯列出所有那些有关能量转换的思想，并将它们抽象为数学表达，使用方程式来归纳整理出来。
此时，克劳修斯引入了一个新函数，称作：熵。
克劳修斯这个数学等式最关键所要表达的就是：当热从高温物体转移到低温物体时，熵值总是增加的。
熵似乎可以用来衡量热能是如何转化或扩散的。
当热的物体冷却时，它们的熵增大。
克劳修斯探索到宇宙的真相：
在任何孤立系统中，熵总和永远不会减少。
克劳修斯对他的数学表达式充满信心，演算出这种不可逆的进程，可以延伸至浩瀚的宇宙。
因此，他推测整个宇宙的熵值，也是在不断的增加直至无穷大。
宇宙中，无论我们怎么做都不可能令其有丝毫的逆转，熵增无穷大。
这个思想被称作：热力学第二定律。
熵增定律，它是如此的不可思议，其完美性、普适性远远超出了克功修斯的想象。
热力学第二定律似乎描述道：释放热量的万物都以某种方式相互联系成一体。
它们都是不可逆过程中的一部分，无处不在、时刻发生着。
因此，能量传递与转化的过程，也就是熵值增加的过程。
似乎不知何故，我们感知到：
宇宙与一杯热茶一样，有着相同的命运，冷却的命运。
当然，对于维多利亚时代的科学家们来说是件美好的事，他们取得了伟大的突破。
他们的发现，在实验室用温度计在烧杯中所作的研究，竟然能被推理、外延一直扩大到涵盖整个宇宙的规律！
虽然热力学取得了巨大的成功，但在19世纪中叶，大辩论与惶惑围绕着第二定律：
熵这个怪物到底是什么？为何它一直在增加？
玻尔兹曼方程式
想要回答这个问题，正需要一次重大的智力飞跃！
众多科学家都试图破解熵的神秘定义，有一位脱颖而出揭开了熵的真实面目，以及揭示我们在宇宙中所能看到的有序与无序的趋势形态。
一位科学界真正的变革者，这就是路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward
Boltzmann）。
玻尔兹曼除了数学，热爱音乐，情迷于贝多芬，他是一个钢琴家，可以陶醉在自己喜欢的音乐作品中数小时，如同陶醉在高深的数学理论中。
玻尔兹曼是一位科学家，受其情感与本能，以及超强的数学能力的共同作用，破解自大自然的奥秘。
正是这些特质令他成为一项让人震惊而又富争议的新理论的创始者之一。
一个远远小于我们的肉眼所视，却能够描述现实的最小尺度的理论。
19世纪下叶，一个小群体的科学家，开始猜测，在微观世界中所发生的一切。
可能与我们的日常经验与观察有着巨大的差异。
假设你凑的足够近真能目睹的话，微观世界可能是由一群微小、坚硬、不停运动着的粒子组成。
从微观的视角来看，热量突然显的不那么神秘了。
科学家们力图让他人明白：温度高的物体，意味着其原子运动的更快。
以微观的视角看待世界，应该是个非常强大的思想！
但实施起来却存在着一个不可逾越的难题。
即使是在很微小体积的气体中，原子的个数也多达数以万亿为单位。
怎么才能够组建起数学方程式？来描绘着一切呢？
毕竟，数目无比众多的原子在不停的相互碰撞，时刻改变着方向与速度。
这几乎是个不可能解决的问题。
玻尔兹曼坚定地捍卫原子论，统计力学是建立在原子论的基础上的却找到了一个方法。
他比任何人都更清晰的知道，如何为物理学来解释这一新领域的现实，必须放弃确定性！
没有必要去了解与计算每一个原子的精确运动！
玻尔兹曼说到：
你只需要简单的统计出现在某个方向，并以一定速率运动着的众多原子的概率来建立实用的理论。
玻尔兹曼将自己想象成物质中的微粒，想象着一个宏观世界下的微观世界。
并寻找能描述它们的数学，正是使用这方法，玻尔兹曼终于处理并破解了能量的终极秘密。
恰恰当时的科学界普遍的反对该理论！
玻尔兹曼的思想引起了时所罕见巨大的争议。
你要记住，今天原子理论对我们而言是理所当然的，而原因正是由于玻尔兹曼的数学公式与实验结果的极其完美。
这个故事中最令人吃惊的一幕是，那个时代的许多人对有关原子的思想充满着强烈的敌意。
今天原子的客观存在，所有物质都是有微小原子构成的思想，都是无需争议，完全可以接受的。但是玻尔兹曼那个时代，著名的、显赫的物理学家们完全不能接受原子理论。
为什么不？
因为从来没有人看过一个原子，可能没人能做到。
那又如何将这些微粒当作客观存在呢？
当玻尔兹曼在维也纳做原子理论的演讲时，伟大的奥地利物理学家恩斯特·马赫（Ernst
Mach）站起来并直言：
“我不相信原子的存在！”
这是多么巨大的挖苦与羞辱！
这样的评论出自一位受人尊敬的科学家，不只是震憾的学术抵抗，更是精神上的猛烈打击。
他们认为：原子不存在！原子是人为定义的！只是假设，为了便于计算！
它们并不存在，我们无法观察到！
世界上，从没有人见过原子！
基于此，反对玻尔兹曼的批评者说：他是一个幻想家。
只有少数物理学家坚定地捍卫原子论。
但是，玻尔兹曼是正确的。
他那探索现实的勇气与远见超过了所有人，并通过对统计学概率的理解，知道原子学说可以解释整个宇宙的构建。
原子理论确立的诞生，19世纪科学的实观性与确定性的理论，正在开始崩溃！
当玻尔兹曼凝视着其原子理论，开始意识到他那涵盖着宇宙在内的新理论，对最大科学谜团中的一个作出了解答。
原子理论解释了为何热力学第二定律是正确的。
也解释了为何大自然处于一个不可逆的进程中。
原子理论强大的揭开了熵的真相，以及为何熵总是在增大！
玻尔兹曼认为：所有的事物，高楼大厦、你、我、空气都是有微粒构成的！
基本上，我们看到的任何事物都是一个由数以万亿计的原子、分子构成的集合体。
这也是他深刻理解熵和第二定律的关键所在！
玻尔兹曼看到了克劳修斯未曾看到的，高温物体会自发变冷的真正原因。
当你想象一块热金属，其内部无数的原子始终相互推挤震荡着，但是因为它们的推挤震荡，位于物体边缘的原子将部分能量传递了承载石板的表面。
石板上的原子也冲撞着其周围的原子，用这种方式，热能缓慢而自然地传递与扩散！
整个系统开始于一个能量聚集的、特殊而有序的状态，向着无序状态不断的变化，等量的能量分散周边更多数量的原子。
玻尔兹曼的天才大脑看到了整个进程，是可以用数学方程式来表达的，他的伟大之处也正呈现于此理论！
显然我们可以说，有序的排列会变得越来越混乱，玻尔兹曼的巨大贡献是对其思想进行量化。
并且推导出一个公式，这使得你可以计算出一个系统的无序度！
贯穿玻尔兹曼的一生，玻尔兹曼有着严重的抑郁症。承载着科学界的反对与打击，因孤立感与疾病缠身在意大利杜伊诺自杀，结束了短暂的一生。
因此，死后几年，玻尔兹曼的理论重新被科学界公认，并成为了新的正统科学理论。
玻尔兹曼的著名方程式，是他科学史上不朽的杰作，正因如此，它也被刻在其维也纳的墓碑上。
这个方程意味着，从本质而言，令各事物变得混乱与无序的概率远远多于变得整齐与有序的概率。
熵，适用一切物理世界，一直趋向于无序的命运
正因为如此，宇宙一直趋向于混乱！事物也从有序向着无序演变！
这个法则适用于一切事物，一切物理世界！
适用于摔落的水杯、燃烧着的恒星、银河系、宇宙的所有一切！
适用于我们每天喝的一杯热茶！
所有的一切都是缘于宇宙具有从有序向无序演变的趋势！
无序、杂乱是一切事物的命运！
克劳修斯发现并命名的熵，总是在不断的增大。
现在由玻尔兹曼揭开了熵的真相，宇宙的真相！
熵，事实上是事物的无序度。
能量一直在涣散，就在我们此刻学习的时候也是如此，不断地扩散，从不停息！
因此，热力学第二定律即是熵的增加，这是对事情会变的更糟糕的技术性说法！
熵，这个自然法则统治着一切，从有序至衰退、再到紊乱，无一例外。
玻尔兹曼的方程式涵盖了一切事物的最终定数：
从一个花瓶到人的生命、到宇宙自身，变化与衰退的进程是不可避免的。
热力学第一定律显示：宇宙自身也有那么一天。会达到熵值的极限，无序的极限，宇宙也一定有末日。
趋向无序演变中也存在着新的有序的建设：自组织
如果一切在退化，一切都会变得紊乱无序，你可能会疑惑，我们又是如何存在的呢？
这个宇宙又是如何创造并运行着地球上精致复杂的生命结构的呢？
与你所想象的恰恰相反，正是因为热力学第二定律，这一切都存在。
宇宙无与伦比的无序增加了万物的复杂性。
可能源于就是在利用从有序与无序的自然演变中，存在着趋向有序的进程。
并产生新事物、创造新秩序与新结构。
这是早期的蒸汽机先驱们已经在不知不觉中偶然发现的。
就因为是这种无序中的有序，创造出了这个世界上我们自以为是特殊的一切事物。
包括汽车、建筑、艺术品甚至地球上的生命自身。
现代的汽车引擎与其他所有引擎一样，遵循着热力学第二定律。
一切都是开始于美好而有序的东西，例如汽油。
蕴藏着丰富的能量，但当它在发动机里被点燃时，瞬间由液体变成膨胀成2000倍体积的燃油混合气体。
不仅仅是大量的热还有声音也扩散到周围环境，这是有序到无序的转变。
汽车居然如此的聪明，它能够利用那些正在消散着的能量，使用了其中的一小部分转换成一个有序、规律的运动。
如驱动气缸的活塞、带动车轮运转。
它们利用了从有序到无序的进程中部分能量，产生了有序的结果。
不仅仅是汽车，生物进化也将我们的身体设计成可运作那完全相同的原理。
如果我吃下这块富含大量能量的巧克力，我的身体会消化并分散着这些能量，但同时也吸收、利用了一部分。
汽车和人都是通过充分利用一部分宇宙间从有序向无序演变过程中的能量。
尽管总体来说这个世界正在趋于无序，这是一种非常有趣的运作。
熵，如同不断流向深渊的瀑布，空中抛洒出一定形状的水雾，那具有一定形状的水雾可能就是你、可能是我、可能是水仙花、可能是任何的东西。
此时，你能够明白宇宙那正在进行着趋向无序演变中也存在着新的有序的建设。
自组织现象，就是自然界中无序中有序的复杂系统的成果！
蒸汽机，发电站，地球上的生命，所有的事物都利用着宇宙向着无序演变的自然趋势。
地球之所以能向有序方向变化的原因是：
它能从宇宙进行着无序演变中获取能量，维持并增加了自身小环境的有序程度。
人类不断地探索控制能量，为了在无序中保留小小的有序
随着人类的发展，我们不停的寻找新的能量源。
我们的城市、社会、工程建设需要的能量越来越多。
可能会因为无法满足而失控。
历史上人类从食物、木材、化石燃料中获得能量。
我们不断的找到更浓缩的能量，来开创繁荣。
21世纪，正在研究终极浓缩能量的风口浪尖之上。
太阳能量的源泉：氢元素。
尝试在地球上创造出一个恒星：小太阳。
研究更浓缩的能量：氢核能。
这些体积微小的粒子诞生于宇宙的早期，仅仅在其大爆炸后的三分钟后。
问题是维持核能是极其困难的，这正是科学家们努力要完善的。
突破后，就能够给我们地球上提供无穷无尽的能源。
热力学作为一门开始于研究蒸汽机副作用的学科。
对我们的生活产生了无比巨大的影响。
它告诉我们：为了生存我们必须得从外界获取能量的原因，也向我们揭秘了宇宙自身将会如何终结。
经过300多年，我们发展了很多巧妙的方法，来开发利用我们身边的能量。
但是从广泛的宇宙视角来看，我们所有的努力与已取得的成就却是非常的渺小。
就以我们关注的而言，我们人类所作的一切努力，不过是试图在宇宙趋于无序的大背景下，保留一点点微小的有序。
虽然我们无法逃脱热力学第二定律，但是它已经告诉我们人类的最终命运。
这个简短的、美丽的、创造性的宇宙亦会消亡的瞬间。
希望人类通过对宇宙尽可能的探索与发现后，我们可以使用能量的控制与技术，延迟这个瞬间几百万年，或许几十亿年后再到来！
总结：
人类想尽一切方法从自然界中获取能量，从蒸汽机到发现宇宙的运行原理，以及热力学发现熵的历程，都是不断揭开宇宙真相的过程。
虽然人类的最终命运无法改变，但是，能量思维，可以普适任何一个领域当中，甚至人类的情感与利益之间的衡量。
超级山叔认为：
人世间，所有的纷争与忙碌，赚钱与生活，只不过都源自于追求能量的转化结果罢了。
此时，如果你找到本质，那么，所有的事，一通百通！
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