想要存活,環境必須吸收帶走所有廢棄物和熵:《眺望時間的盡頭》選摘(3)

2021-04-22 05:00

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作者提到,即便兩台小暖爐完全相同,它們轉移到周遭環境的熵,仍是不同的。(示意圖,照片經飼主授權使用,IG:tanryug)

作者提到,即便兩台小暖爐完全相同,它們轉移到周遭環境的熵,仍是不同的。(示意圖,照片經飼主授權使用,IG:tanryug)

蒸汽機從燃燒的燃料吸收熱和熵,並把熱和熵釋放到較低溫的環境。燃料和環境的溫差就是重點所在。要瞭解原因,想像你打開兩台一模一樣的小暖爐,其中一台擺在冰冷的房間,另一台則擺在高熱的房間。在冰冷房間裡,寒冷的空氣分子受了小暖爐攪動,導致它們移動得較快,分散得較廣,於是它們的熵也大幅增加。在高熱房間裡,空氣分子已經移動得很快,也早就飛掠到廣大範圍,因此小暖爐只略微增加它們的熵(這有點像是在紐約的狂熱派對上調高節奏,卻幾乎沒有注意到尋歡人士的舞步有絲毫加快,不過若是在印度提克西僧寺院︹Thiksay Monastery︺調高節奏,結果就會誘使僧侶中斷冥想,開始雀躍舞動,於是你很容易就能看出變化)。

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所以,即便兩台小暖爐完全相同,它們轉移到周遭環境的熵,仍是不同的:兩台小暖爐所產生出的熱是相等的,擺在較寒冷環境裡的那台,轉移了較多的熵。因此比較寒冷的環境,把所接收的給定數量的熱放大了,也構成了較大的熵增加現象。瞭解了這一點,我們就知道,蒸汽機只需把所吸收的熱排放一部分到比較寒冷的環境,也就能把它得自較熱燃料的熵,全部予以排除。接著殘餘的熱就可以運用來驅動蒸氣膨脹,推動活塞並完成有用的功。

這是解釋說法,不過別讓細節遮蔽了更大的結論:隨著時間流逝,物理系統會以高得出奇的可能性,從較低熵組態朝向較高熵組態演變。倘若像蒸汽機這樣的系統試圖維繫它的結構完整性,那麼它就必須把它所累積的熵轉移到周遭環境,藉此來克服熵增加的自然趨力。要辦到這點,蒸汽機就必須把廢熱釋放到環境中。

熵的兩步法則

只要仔細思考我們所依循的步驟,各位就能看出,儘管蒸汽機已被解析透徹,我們的結論仍是超越了這個十八世紀的起始點。我們的分析要旨是對熵進行嚴格的核算,而且那種核算可以在任何背景下進行。這是一個關鍵的認識,因為藉由熱的釋放來讓熵從蒸汽機向它的周遭環境轉移,只是十分普遍現象的一個版本,而且當我們依循宇宙開展顯現時,到處都會遇上這樣的歷程。我稱之為「熵的兩步法則」(entropic two-step),這是指當一個系統把大量熵轉移到環境,超出了為抵銷熵增加所須轉移的數量,結果就導致熵減少的任何歷程。兩步驟能確保即便熵有可能在此處減少,在別處它就會增加,擔保熵的淨值是增加的,一如我們根據第二定律所料想的結果。

熵的兩步法則是宇宙的核心特徵,循此它便能朝向漸增無序狀態發展,同時卻又能生成並支持像恆星、行星和人類這樣的有序結構。有一項我們會一再遇見的課題是,當能量流經一個系統— 好比燃燒煤炭產生的能量流經蒸氣、驅動作功,接著排出到周遭環境等過程—它帶走熵,從而還得以維繫或甚至於生成秩序。

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