对于“熵”与时间的简要解释

本文共2512字

1、 什么是“熵”?
打碎的杯子几乎不可能再完全复原,一滴墨水滴入水中扩散开来,你的房间总是在收拾好之后没有原因地越来越乱…这一切越来越混乱的宏观过程,反过来就不会发生。杯子从桌子摔在地上是正常的,但它不会自己从地上跳起来并且复原;开水变凉是正常的,但凉水不会在自然状态下自己烧开,这就是大多宏观过程的不可逆性。想要逆转就得获得额外能量。
你可以把“熵”的前进方向看成一个箭头,这个箭头指的方向到底是哪里呢?
答案是热力学第二定律。

19世纪,科学家们通过热力学研究得出了热力学第一定律,也就是能量守恒定律,指的是一个孤立系统总能量保持不变,能量不会凭空出现也不会凭空消失,他只会从一种形式转化为另一种形式,或者一个物体转换到另一个物体。
但是有人发现能量总是做不到100%的转换。原因就是有相当一部分能量转换过程中被散逸掉了,这部分在转换中无法再利用的能量就是熵。基于这个概念,科学家们得出了热力学第二定律。
热力学第二定律的常见表述有两种,开尔文普朗克表述是,不可能从单一热源吸取热量,并将这热量变为功,而不产生其他影响;而克劳修斯表述是最容易理解的,它认为:热量不可能自发从低温物体传至高温物体。
如此简单的一句话清晰简单地展示了宏观世界演化的模式和方向。而这句话的微观表述是:一切自然过程,总是沿着分子热运动更加混乱的方向进行。
大家应该很轻易地就把“熵越大”和“越无序”联系起来。系统会自发熵增,变得更加混乱。

数学层面来描述熵和无序的关系,也是可以表现的。
现在有个盒子,里面有四颗豌豆,你抱起它均匀摇晃后打开看,盒子的上下两半有多少颗豌豆。概率上表述,应该有上4下0,上3下1,上2下2,上1下3,上0下4这几种情况。根据排列组合,它们对应的状态数是1、4、6、4、1这几种,符合杨辉三角(p1)。
从排列组合出的概率可以看出,这四颗豌豆更趋向于“上2下2”的分布状态,即在整个空间中均匀分布。当豌豆数目越大的时候,趋向于空间中均匀分布的概率也就越大。如下图的高斯概率分布(p2),豌豆数目越大,山峰就会越窄越陡峭。
设想这些豌豆就是这个盒子里的空气分子,假设盒子里有一个阿伏伽德罗常数(6.02*10的23次方)的分子“豌豆”,数目多到如此程度,这个概率分布的山峰就会陡峭成一条竖线。
在此概率分布下,这些分子豌豆全部挤在盒子上半部分,而下半部分为真空的概率就会接近无穷小。也就是说,它们几乎就是左右各一半。
还记得上面说的杨辉三角状态数吗,显然可以看出,分子豌豆越多,对应的状态数也就越多,
最中间那个最均匀分布的状态数就越大,均匀分布的概率就越大,整个系统的分子运动也更加趋向无序混乱。
于是玻尔兹曼于1887年定义熵S正比于ln(状态数)。用来描述分子运动的混乱程度。

2、 世界能否“熵减”?
诺特定理证明了物理底层规律的对称性。比如自由落体运动,符合牛顿运动定律,如果你将自由落体倒放,你会发现它依然完全遵守牛顿定律。
于是我们发现,牛顿定律在时间上是对称的,同样的,相对论,薛定谔方程…等等基础物理规律都具有这个性质。所以底层物理的直接规律没有过去与未来的区别。
但是大部分生活中的现象时间逆转倒放就是不可发生的,比如牛奶和水的混合,本质上就是牛奶分子和水分子的碰撞,倒放也是完全符合物理规律。但是针对于被水稀释的牛奶自己发生分子碰撞导致水和牛奶分离现象,在总体宏观表现就是不可能发生的事情。
于是出现了一个非常奇怪的碰撞:微观观察,分子碰撞可逆;但可逆的微观分子组成的宏观现象却完全不可逆。出现了熵增和物理规律对称的矛盾,究竟是孰对孰错还是另有答案?

这就是庞加莱重现:
在一个封闭系统中,任何粒子在经过一个漫长的时间之后必然能回到其无限接近其初始位置的位置(但是不能回到原来位置,只能无限接近),尽管这个时间的长度远远超出我们所能想,但是它必然会实现。
以及洛施密特悖论:
如果对符合具有时间反演性的动力学规律的微观粒子进行反演,那么系统将产生熵减的结果。
这两个猜想有悖于玻尔兹曼的思路,世界可以将速度方向都反过来,世界将熵减回到过去。

所以最终问题回归到:底层基础物理规律从哪一个点开始,从时间可逆中诞生了不可逆性?
时间的箭头方向真的可以反向吗?

这个点的猜想,可以利用普里戈津的解释:非平衡热力学中,不可逆不再是观测不到就会消失的表象,而是自然中底层建设的基本盘,时间之矢量不再是错觉,而是开始的奇点。具体研究很复杂,这里不再过多解读。

3、 时间之矢与熵之进退
想必大家也想到时间之矢与熵的某些密切联系:随着时间的增加,物质自发变得无序,在这个基础上,时间箭头与熵增方向一致,热量会自发从高温物体传导至低温物体,能量被我们一直利用直到完全变成热量再也利用不了。
但如果定义时间流逝就是熵增,可以想象一个很令人惊奇的世界:混合在一起的液体会自己分离;火不再是取暖和燃烧物品使用,反而会吸收物体的热量;走在地上的摩擦会让脚越来越冷,摩擦生成的能量还会变成动能让人摔倒…
这当然只是一个架空的设定,但违背热力学第二定律的熵减就一定不存在吗?
有没有一种可能,前面那个盒子里的空气分子突然熵减,所有分子全部跑到上半部分,下半部分真空?
是有这个概率发生的,就是前面那个陡峭的看不到底座的变成一条线的山峰,如果你计算一下这个概率你会发现,这种情况发生的概率是一百亿的二十次方分之一。
他发生了,就是违背热二了,但是又能怎么样呢,在极短的不可观测时间内,他又恢复到均匀分布的模样了。
所以说热力学第二定律是一条统计学规律,大量样本状态下,是不可能观测到违背热二的现象的,我们的世界不是理论上不可能熵减,而是实际上不存在熵减。
最后用一句话总结熵增定律:世界会越来越乱,最后覆水难收。

科学规律一定是高于常识认知的,我们不能指望人在日常的肉眼观察中领悟到混沌运动或者相对论的存在,当你感觉时间在从过去向未来流逝的时候,你得明白,这只是“感觉”,而一个能解释清楚时间和熵这样宏大命题理论,一定是超越感觉的,不能指望这是一篇文章就能弄懂的东西,如果现在没有确切的突破和最合理的解释去阐述它们的话,遇到这些科学的时候,不要试图用感受去理解它,只用现有科学理解,去感受它。

参考资料:
霍金《时间简史》
Zemansky《Heat and Thermodynamics》
周子舫《热学·热力学和统计物理》
霍华德《熵:一种新的世界观》
阿西莫夫《最后的问题》

中医名家樊正伦访谈(全十二集)(6-7)

谈系列之六

西方人用两只手吃饭,我们中国人用一只手吃饭。筷子给你的时候,叫一双,这叫“道生一”,用的时候必须一分为二,这是“一生二”,“二生三”,什么是“三”?动者为阳,静者为阴,一阴一阳为之道,两根筷子这么一动,什么芹菜、韮菜、花生米……,你全夹捡起来,这就叫“三生万物”。

田 原:现在有很多成年人是“塑料体质”,女生林黛玉,男生肾虚,临床上这样的病人也不少吧?

樊正伦:经常有。你比如说现在到了秋天了,有很多人感冒以后就反复的咳嗽,甚至三、四个月都好不了,而且极易感冒。中医讲肺主皮毛,就是当我们一呼一吸时,我们的毛孔也在一张一合,也要呼吸。所以在感冒的时候,不管是风寒感冒还是风热感冒,实际上是毛孔的呼吸受影响了。

毛孔一张一合的时候,也把体内的热量散出去了,把水分散出去了;当你得了风寒感冒的时候,也就是毛孔合多于开的时候,体内的热能就散不出去,水分也散不出去,都壅滞在里边了。当它散不出去的时候,你打了抗生素,它不能解决毛孔的开合啊,它只能解决你是细菌还是病毒,而且是病毒的话,你打抗生素也没有用。

中药解决的是什么问题?中药是恢复毛孔开合,让毛孔的开合恢复到正常的状态,这就是中医说的肺主皮毛。有很多病人,感冒之后打了抗生素就不发烧了,各项检查都很正常了,就是咳嗽不止,为什么?因为他的毛孔开合还没恢复,热邪和水分都壅滞在肺里面了,中医把它叫做肺热喘咳。我们用中药的时候,其实我们常常用的“止嗽散”,里面百部、桔梗等几位药,恢复的就是毛孔的开合。

田 原:每年入秋以后有很多这样的病人,您用的都是这个方子?

樊正伦:对呀。 就是“止嗽散”原方,它是清代名医程钟龄的方子。

田 原:原方上还要做一些加减?

樊正伦:我是用“止嗽散”加上小柴胡汤,效果非常好。小柴胡是什么?是调畅气机的。小柴胡汤里面有柴胡的升与黄芩的降,咳嗽的时候,实际上是气血壅滞,那么首先得让气机活动起来,“流水不腐,户枢不蠧”对吧?它通畅起来了,再让肺的升降正常了,肺本来就是主宣发与肃降的,要让它的升降正常。如果肺里面已经有痰了,再加一点栝蒌、半夏这些去痰的药,就是去有形之邪的药,那他就好了。而且都用不着吃七付,五付就好。

田 原:是根除吗?

樊正伦:去根儿,两、三个月咳嗽不好的病人用了这个方子就好。

田 原:和您对话,越发觉得中医并不像很多人想的那么难,那么复杂。真如您所说,中医治病,治的是人,是人的状态,而非一症一病。说到状态,咱们看现在肿瘤患者越来越多,我觉得与现代人的生存状态有关。压力大、欲求多,可以说状态已经偏颇了。曾经有一位专家举了一个形象的例子,他说得病了,就像走在平衡木上的人,失去了平衡,一条腿已经掉下来了……樊教授能不能给大家开个方子,或者告诫什么的,能让人们重新回到一种正常的、平衡的状态?

樊正伦:如果要找回一种正常的状态,那就是咱们平心堂外面写的那四条——顺四时、调情志、节饮食、慎医药。您只要把这四条弄明白了,你就绝对没问题。为什么?人在天、地气交之中,春生、夏长、秋收、冬藏,实际上人也一样啊——春天,你的气血从内向外走,夏天,气血全到外面来了,一入秋,气血就从外面向里面走了,冬天的时候,气血都到了里面,外面就相对不足。所以夏天的时候为什么容易闹肚子?不是因为细菌多了,是你的气血全跑外边来了,里面是空的。我们的气血就跟外边儿的树是一样的,夏天你看那树上的所有营养都在枝叶上,根上就什么营养也没有了;到冬天的时候,所有气血都到里面去了,您外面就相对的不足了,这时候人就容易感冒。
人就生存在这样一个自然界里面,你不能违背它。

老百姓有句话,说冬天不冷、夏天不热迟早要作病。什么意思?就是当夏天气血都到外面的时候,它有一个作用,通过汗液把你体内多余的东西排出去。冬天的时候,我们中国人都讲冬天要进补,这时候你吃点涮羊肉啊,吃点儿有营养的东西,为什么?因为这时候气血都到里边的时候,你吃了好东西,它能够充分的运化,为明年春天的生发再做准备。看看我们的树,到了冬天都要进行冬灌,为什么?就是因为冬天的时候,要营养他的根部,冬灌以后,它就储存了足够的营养,为明年春天做准备了。

冬天储存了营养的同时,会产生很多多余的产物,到了夏天,发汗的时候,正好把这些多余的产物排出来。

但是我们现在是怎么过冬、过夏的?冬天唯恐暖气烧得不热,夏天唯恐空调开得不大,你违背了四时的规律。《黄帝内经》讲“顺四时则生,逆四时则亡”。道理不是很清楚吗?所以你要想少得病,第一点就要做到顺四时,也就是尊重自然界的规律。

田 原:曾经有句老话叫人定胜天,这四个字甚至被当成很多人的座右铭,其实人还是要有所畏惧的。

樊正伦:当然。因为人是天地的产物,人不可能逃得出天地,这是祖先早已经告诉我们的。这点非常非常重要。

还要非常注意饮食,我们的祖先说:五谷为养,五果为助,五畜为益,五菜为充。意思就是说五谷是养命的,人的生命不仅仅靠脂肪、蛋白质来维持,要靠无数具有生命力的种子,不论什么民族,哪怕是以肉食为主,他也必须吃粮食,不吃粮食是活不了的。为什么?种子是什么?种子是生命的延续呀。您看我们从马王堆里挖出来的那个种子,已经上千年了,还能发芽,说明种子是有极强生命力的东西。现代很多人说我天天不吃五谷,我光吃菜,我就为了减肥,那就面有菜色了(笑)。

几千年来,中华民族是以纤维食物为主的民族,这和外国人不一样。你看外国人吃饭,一手拿刀子,一手拿叉子,大叉子叉上羊肉一烤,刀子一割,小叉子一叉就吃了。这是外国人的生活对吧?因为他以游牧为主,他们几千年的遗传基因,对肉类的消化能力要比中国人强得多,几千年来他们就是这么吃出来的。
田 原:为什么咱们生活水平越来越好了,身体素质反而越来越差,什么心脑血管、癌症……患者越来越多?看来多数是吃出来的。

樊正伦:因为很多人都忘记了咱们的祖先是怎么活过来的。外国人吃饭用刀叉,中国人吃饭就是两根棍儿。吃饭是人生的一件大事儿,任何民族都一样。西方人用两只手吃饭,我们中国人用一只手吃饭。筷子给你的时候,叫一双,这叫“道生一”,用的时候必须一分为二,这是“一生二”,“二生三”,什么是“三”?动者为阳,静者为阴,一阴一阳为之道,这就是“三”。两根筷子这么一动,什么芹菜、韮菜、花生米……,你全夹捡起来,这就叫“三生万物”。你要两根筷子都不动,什么也叉不起来,两根筷子都动,什么也夹不起来。我们祖先把用筷子的传统延续下来就已经告诉你了,这就是中华民族的文化,这就是老子说的“道”。

再看今天,拿着老祖宗给你消化纤维性食物的肚子,天天去消化什么牛排啦、鸡腿儿啦……(笑),或者不是天天吃菜就是天天吃肉,结果不是糖尿病就是血压高。

饮食结构不是一代人能改变的,我想这是我们国人面临的一个很重要的问题。

访谈系列之七

正所谓:流水不腐,户枢不蠹。所以我治病从肝入手,尤其是慢性病,因为慢性病的形成,首先是一个气机不通畅,尤其我们今天看到的很多疾病,包括肿瘤。你看有的人很瘦,但是他不受补。因为什么呢?如果这个水不动了,你往里面扔的营养越多,它沤得越快!你首先得让它的水流动起来,当水流动起来了,哪儿不足,哪儿有余就看得非常明白了。

田 原:真可谓:听君一席话,胜读十年书。生命是大自然赋予我们的恩赐,中医是解读这个万物之灵的智慧,而现在,我们需要传道者。樊教授当之无愧。

可我却听说您总在骄傲的“标榜”自己是一山野村夫?而无意做传道学者?

樊正伦:(笑)我以看病为主,我给他们讲课说,我不是教授,我也不是专门研究学问的人,我今天所回答的这些问题,其实都是在看病过程中,患者要问到的问题。你就得考虑,中医可以治病,治好病,这是毋庸置疑的,可是怎么治好的?很多人说不明白。

田 原:所以您就得多开坛,多讲解,听说百家讲坛正在邀请您讲中医文化和养生。

樊正伦:就是。其实说不讲,这些年也没有断了讲,但我是医生,我的患者太多,对我来说,能给患者看好病才是大事。

田 原:您在临床上的治 疗理念是什么?

樊正伦:我基本上是调肝入手。人法天地而生,肺呢,主一生之气,就是人和天的通道,所以肺在五脏中属天。你所有的营养来源于脾,脾是地,心是火,肾是水,天、地、水、火之间,运动着的是什么?是肝,是风。因为只有地气上升,天气下降,它才能够正常的运转,水气上升,火气下降,才能够水火既济。
所以在治病的过程中,地气不上升,天气不下降,肾水不上升,心火不下降的时候,最重要的是要调理它的气机,正所谓:流水不腐,户枢不蠹。所以我治病从肝入手,尤其是慢性病,因为慢性病的形成,首先是一个气机不通畅,尤其我们今天看到的很多疾病,包括肿瘤。你看有的人很瘦,但是他不受补。因为什么呢?如果这个水不动了,你往里面扔的营养越多,它沤得越快!你首先得让它的水流动起来,当水流动起来了,哪儿不足,哪儿有余就看得非常明白了。

田 原:看来任何难题,首先要解决的一定是思路问题,思路决定出路。

樊正伦:我读了这么多中医古籍,我发现找不到什么是中医学的定义,没有一本书明确地告诉你。中医学是什么,它是以天人相应、天人同构的思想为指导,运用了《周易》的阴阳五行的象数理论,研究人体生命运动规律的一门学问。

中医学就是这么一门学问。这是我给中医学下的定义。

最深刻的道理一定在最简单的地方产生,我们有很多医生啊,他给别人看病都可以,自己有病了,他赶快去打点滴,(笑),所以我就说了,不知道您是相信中医,还是不相信中医。
田 原:这事儿不足为奇,也难怪老百姓对中医的疗效产生信任危机。

樊正伦:有些老医生,像岳美中等一些老大夫,其实他的思维过程,就是我刚才说的那个过程,他什么病都能看好,随手拈来都是药,但是由于他所处的那个历史阶段,就是西方文化进来的时候,不让他畅所欲言。就是说有些老医生他不是不明白,他今儿说完这个治则,明儿就成了右派,他怎么办?他只能用辩证法这个圈去套,所以我们的中医理论,后来就变成了朴素的唯物论和辩证法,什么叫朴素的?就是不科学的。(笑)其实,它是一个更高层次上的科学。所以他在治疗疾病的时候,疗效才那么好。

现在很多中医已经不知道中医为何物了,他学的是术,他在术上做文章,不在道上求根本。中医是什么?是执形而上之道,用形而下之术的学问。道是什么?道是规律,生命的规律。生长的过程,有它生命的规律,当它外受风寒的时候,就是生命规律受到影响的时候,医生的责任就是要把它调整过来,不管是针灸,还是中药,说到底就是:以药性的偏性,纠正人体的偏性,把人体被破坏的状态调整过来。
田 原:的确,比如我们用“筷子文化”去解读中国人的思维,就很简单,明了。

樊正伦:对啊。“知其雄,守其雌。”我们的祖先本来就这么智慧,要不五千年来,我们中华民族怎么这么多人呢。(笑)

文:田原

原载于《中华中医名流》杂志2007年冬之卷,授权环球中医网转载

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