導讀：

能量守恒定律告訴我們：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。

熵作為只增不減的物質，該怎么去理解它？

通俗的理解熵：

舉個栗子，對于這樣一堆沙子，我們可以隨意的更改沙堆的“形狀”，甚至可以組成數萬億種形狀，但不管哪種形狀，構成沙子的“結構”不會發生任何改變，從熵的意義上講，這個沙堆的熵值很高（這里的沙堆泛指一切自然形成的沙堆，大同小異）。

but，當我們把沙堆弄成這樣一個沙堡：

這個時候，讓一堆沙組成圖中這種有規則形狀的沙堡的組合就會驟降，甚至只有幾種組合能讓一堆沙看起來和圖中的沙堡特別相似（沙子的結構仍然不會發生任何變化）。從熵的意義上講，這個沙堡的熵值很低。

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熵增又是怎樣的情況呢？

說到熵增，我們都知道很多例子。比如理想氣體擴散后不可能自己縮回去，溫度只能自發從高溫傳到低溫，這些都是熵增的過程。一句話，不可逆過程。

但問題是，這些不可逆過程發生的條件是什么？是不是在某些條件下可逆？

我來給大家舉一個例子，一個熵自動減少的例子

好的。現在假設如下圖所示一個密閉的長方體空間中有六個氣體分子，一開始所有六個氣體分子都被一個擋板壓縮在長方體容器的左半邊，現在擋板取消，分子開始擴散，充滿整個容器，就像第二張圖所顯示的那樣

但是，如果我們適當規定一下氣體分子的速度方向，就像上圖那樣，兩個分子向左，四個分子向右，會發生什么情況呢？是的，我們會發現在某一個時刻，向左的兩個分子碰壁后回彈，和向右的四個分子運動方向一致，最終這六個分子完全進入了右半空間。

這是氣體自發的擴散，按定義熵增加，又自發地退回到右半邊，按定義是熵減少。于是氣體自發地熵先增加后減少！

再舉一個最極端的例子。溫度總是自發地由高溫物體傳向低溫物體。在宏觀世界不可想象低溫物體自發傳熱給高溫。但是當分子數目足夠少的時候呢？

假設有三個分子組成的系統，動能分別為5,10,15焦耳，按照溫度對應于分子平均動能的觀點，它們的溫度對應于平均動能10焦耳左右。另外也有三個分子組成的系統，完全一樣的分子只是速度不一樣，7,8,9焦耳。現在這兩組分子被一個隔板分隔在長方體容器的兩端。現在隔板去掉，讓這兩組分子發生碰撞，很有可能第一次碰撞就在動能為5的分子和這三個分子之間。假設是動能5焦耳和9焦耳發生碰撞，動量守恒交換交換速度，也同時交換能量，結果是原來5,10,15的系統變成了9,10,15；原來7,8,9的系統變成了7,8,5。這樣，高溫系統的分子平均動能更高了，低溫系統的平均動能更低了，也就是高溫更高，低溫更低，熱量自發地從低溫傳向高溫。

現實中怎么可能！的確，在現實中我們費力吹起一個氣球，用針一扎，只能看見氣體自發地從氣球里噴出，卻從沒有看到氣體自發地回到氣球里。如果我們不費力收拾我們的桌子，它們只會自發地越來越亂，從來沒有看見它們自發地擺整齊過。

但是，如果我們桌子上只有兩本書呢？哪怕我們不經意間隨手一放，也有可能把原來攤在桌面上的兩本書疊在一起。這樣一來，熵又減少了。

不錯，現在我們發現熵增的關鍵所在：分子數目。當我們在上面的體系中僅僅增加一兩個分子的時候，情況似乎沒有什么變化。我的桌子上擺了不管兩本書還是三本書，似乎隨手就可以把他們疊放在一起，不需要特別的整理。但是，當分子數目一個一個的增加，一直到標準狀態下（零攝氏度，一個大氣壓下）在22.4升的容器里有個分子的時候，由量變積累的質變就發生了。

那么，這個質變是怎么發生的呢？

還是那個長方體空間里的例子。當擋板打開前，所有的分子都在左側，當擋板打開后，所有的分子自由選擇在長方體左邊還是右邊。所以，擋板打開后，所有的分子都重新回到右邊的概率是也就是說1.56%的可能性，再加上全部重新回到左半邊，一共是3.12%的概率氣體重新回到整個容器的一半，即熵不變。雖然很小，但是有可能的。要知道，哪怕是所有分子都在左半邊而只有一個分子在右半邊也叫熵增。所以，當氣體分子數目增加到個，那原先被限制在長方體左半邊的氣體擴散后又重新回到一半體積的概率是，可想而知和沒有沒區別。

但問題是，可不可以最終結果兩邊不同呢，還是那個長方體的例子，一開始左邊是1000個分子，那最終結果可不可以是左邊600個，右邊四百個呢？看上去雖然兩邊都有，熵是增加了，但還沒有到最大，這樣可不可以呢？其實這種情況可以這樣理解。在一個充滿800個氣體分子的長方體里，我們再從長方體左邊加入兩百個氣體分子。那這兩百個氣體分子的運動不會受到其他氣體分子運動的影響，也就是說，相當于原來真空的箱子里有兩百個氣體分子。結果呢，這多出的兩百個還是會平分到兩邊，也就是兩邊都一樣。

（當然，嚴格的數學意義表述是二項分布，這樣得到的結果如下圖所示，藍線從外到內分別是長方體中含有10,40,70,100,130,160個分子時氣體分子分布情況，橫坐標表示長方體左側所有氣體分子數占總體分子數目的比例，縱坐標表示相對應分布的微觀狀態數，做了歸一化處理，可以近似看成對應該微觀狀態的概率，可見分子數目足夠多的時候，只有一種情況最常見最穩定，就是所有氣體分子均勻分布）

當然，我們允許長方體兩邊的氣體分子有一個兩個的差異，就好像在真空的長方體里只有兩個分子的情況下我們也無法按照熵增加的要求要求這兩個分子一定一個在左側，一個在右側。

熵增，這樣一個在微觀狀態下完全由概率決定的事情，在宏觀狀態就成了必然。

因為熵自發減少的可能性是如此之小，以至于自從宇宙誕生到現在所有的分子運動的嘗試中，始終無法找到一個幸運的系統或者分子能夠自發的熵減。

一句話，熵之所以必然增加，沒有動力或者能量的原因，是因為熵減少的概率，或者可能性小到可以忽略不計。

熵的微觀失效宏觀有效是統計力學系統微觀量波動的本質。

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為什么要引入熵這個概念？

19世紀，工程師在關注蒸汽機效率這個問題的時候，水要達到多熱，要加入什么樣的沸騰的物質才能讓蒸汽機效率更高等等，為解答這些問題，熱力學誕生了，并引入了熱量、溫度、能量等概念。并出現了熱力學定律，這個時候的熱力學定律是為了解釋熱量是如何流動。隨著科學家了解深入，以及為了更好的理解宇宙進化及時間流逝，熱力學第二定律出現了熵這個概念。

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宇宙進化or時間流逝

回到我們上面的沙堆那個栗子里。如果我們把上圖中的沙堡放在風中，很快這個沙堡中的沙粒會被風吹走，重新形成熵值更高的沙堆。在物理學原理里，沒有哪條物理原理規定風不能將沙粒吹起，并精確的按照沙堡的形狀擺放。從原則上說，風可以把沙粒吹起，并堆疊成一個沙堡。但它就是絕對不可能發生。而另一種可能性卻不能避免，即風會將熵值很低的沙堡吹成熵值很高的沙堆。這吻合了熱力學第二定律，也就是為什么可稱之為“熵增定律”。正是熵增定律，解釋了一切事物都是從有序趨向無序，也就說宇宙也是從有序走向無序，即xx億年后，太陽也會從有序的球體爆炸為無序的氣體和粉塵，即星云。

太陽的命運也說明了其它恒星的命運，即所有的恒星最終都會消亡，屆時整個宇宙會陷入無邊的黑暗，進而宇宙消亡。

來源：方興、孫昊（知乎）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的按照演算，整个宇宙将会陷入无边的黑暗的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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