本文接上一篇：世界觀革命的曆程（二）——牛頓陰影籠罩的世界

前文中說過，人類的世界觀存在巨大的自我遮蔽性，人們會固執地陷入自己相信的世界觀中，選擇性地相信與自己的世界觀相符的事實，忽略掉與自己的世界觀相悖的事實。當新的世界觀建立起來後，人的思想觀念會發生突飛猛進的變革。

人類學家麥克斯·格拉克曼曾經說過：“科學是一門學問，它能使這一代的傻瓜超越上一代的天才。”正是對這種思想觀念的非連續演化的生動表述。

人類世界觀的這種自我遮蔽性，最集中地體現在對于永動機的探索中。而這場探索的結果，将會成為點燃新一輪科學革命的火種。

在當今時代，科學界已經達成共識：任何企圖設計永動機的努力都是完全無意義、徒勞的工作。但如果把目光轉向科學史，我們就會發現：永動機的探索是科學史上最奇特的曆程，一代又一代的天才發明家前赴後繼，百折不回，為永動機貢獻了科學的智慧和天才的設計，然而最終都歸于失敗。

永動機的探索推動了物理學的發展，是人們對科學的探索過程中非常重要的一環。熱力學這門學科，就是建立在對永動機的不斷地探索以及碰壁的基礎之上。

世界觀革命的曆程，就是人類不斷掉進大坑又從坑裡爬出的過程。假若不是在永動機這個萬丈深坑裡不斷跌倒，熱力學或許至今還是一片狼藉，人類對于宇宙本質的認識，也遠遠不及今天這樣深刻。

自古以來，人類就存在一個技術夢想，制造一台不需要從外界輸入能量就可以永遠運轉下去的機器，這就是永動機。永動機的想法最初源于印度，生活在公元七世紀的印度占星家婆羅摩笈多，被認為是第一個設計永動機的人。公元1200年前後，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，然後傳到西方。

婆羅摩笈多

歐洲早期最著名的一個永動機設計方案，是十三世紀時一個叫亨内考的法國人提出來的。如下圖所示：輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝着12個可活動的短杆，每個短杆的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球産生的轉動力矩要比左邊的球産生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿着箭頭所指的方向轉動下去，并且帶動機器轉動。

然而，隻要學過分析力學的人一眼就能看出，該裝置的總力矩隻會在零附近微小地擺動，最終歸于平衡。

文藝複興時期意大利的達·芬奇，我們都認為他是著名的畫家，其實他的本職工作是軍火設計師，而且是個腦洞大開的設計師。他一度癡迷于永動機的研究，估計是想造出自動火炮之類的東東，但是實驗都失敗了。達·芬奇敏銳地由此得出結論：永動機是不可能實現的。他寫到：“永恒運動的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！還是去做淘金者吧！”

達芬奇

以牛頓為代表的科學革命極大沖擊了歐洲人的世界觀，歐洲人對于科學與技術的熱情持續高漲。牛頓力學雖然沒有明确支持永動機，但是存在一定程度的鼓舞。例如，根據牛頓第一定律，在沒有外力作用下，物體将保持靜止或勻速直線運動。這裡的“勻速直線運動”，不就是永遠運動嗎？根據牛頓的機械論宇宙觀，整個宇宙如同一個精密的機器一樣持續運轉，不就如同一架無比巨大的永動機嗎？

因此，科學革命之後，人們對于永動機的信心不僅沒有消退，反而進一步高漲起來。形形色色的永動機設計方案層出不窮，各國宮廷裡聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發明來掙錢的方案設計師。

其情形很像是這些年互聯網熱潮下，湧現出的一批又一批用一紙BP（商業計劃書），到處忽悠VC（風投）的夢想家。

17世紀英國有一個被關在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一台可以轉動的“永動機”，他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實這台機器是靠慣性來維持短時運動的。

由于被騙的次數太多，1775年，法國科學院宣布“本科學院以後不再審查有關永動機的一切設計”。并且明确發出如下告誡：“永動機的建造是絕對不可能的，即使中間的摩擦和阻力不緻最終破壞原來的動力，這個動力也不能産生等于原因的效果；……惟一可能的永恒運動對實現永動機建造者的目的将毫無用處。這些研究的缺點是費用極度昂貴，不止毀了一個家庭，本來可以為公衆提供大量服務的技師們，往往為此浪費了他們的工具、時間和聰明才智。”

然而，對于法國科學院如此明确的警告，各種發明家們仍然視而不見，創造永動機的各種活動未見收斂。

各國專利局成為各種永動機騙子紮堆的“重災區”。美國專利局直到1917 年才決定，不再受理永動機專利的申請。盡管如此，在這一年之後還是有不少一時看不出奧妙的永動機方案被美國專利局接受。要知道，此時熱力學第一定律（能量守恒定律）和熱力學第二定律（熵增定律）均已被提出好幾十年了。

十九世紀末的美國專利局

由此可見，世界觀的思維遮蔽效應有多強！

絕大多數科學成果都是依靠“證實”而獲得的，而永動機催生出來的兩大熱力學定律——熱力學第一定律或稱能量守恒定律、熱力學第二定律或稱熵增加原理，都是依靠相應類型永動機“無法制成”這一“證僞”的工作而獲得的。

正因為永動機設計的探索具有“證僞”這一特殊性，熱力學第一定律和第二定律不是具有嚴謹邏輯支持的定理，而是不言自明的“公理”。因此直到今天，仍然有民間科學家在堅持不懈地試圖找出這兩條定律中的“漏洞”。其中，熱力學第二定律尤其與人的直覺相抵觸，因此遭受了最多的“圍攻”。

十九世紀的物理學家麥克斯韋，也是對于熱力學第二定律的質疑者。

麥克斯韋畢業于劍橋三一學院，是牛頓的校友，他是經典電磁學的奠基人，1873年出版的《論電和磁》，也被尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的一部最重要的物理學經典。沒有電磁學就沒有現代電工學，也就不可能有現代文明，因此麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。

麥克斯韋

麥克斯韋的挑戰，就是大名鼎鼎的麥克斯韋妖。為了說清楚這隻小妖到底是什麼來頭，還是花點時間從頭講起，其中甚至還牽扯到英法德等大國歐陸争霸的背景。

熱力學第一定律告訴我們，能量是守恒的，它既不會增加，也不會減少，隻會從一種形式變為另一種形式。

如果單看熱力學第一定律，就會很自然地得出結論：能量是取之不盡用之不竭的，那麼就不應該存在能源危機的問題才對。

熱力學第二定律就是要給我們當頭一棒，讓我們從這樣的美夢中驚醒：在能量轉換過程中，盡管能量的總量保持不變，但仍然要付出一定的代價，這個代價就是熵。

“熵”這個概念很奇怪，不像速度、電壓、電荷有明确的定義，它的面目一直暧昧不清，隐藏在重重迷霧之中。

最初，人們對于熵的認識是“無用的能量”。

人類對于熵的認識，來自于對熱機的研究。所謂熱機，就是将燃料的化學能轉化成内能再轉化成機械能的機器動力機械。前兩次工業革命的标志蒸汽機和内燃機，都是不同種類的熱機。

汽車發動機就是典型的熱機

第一次工業革命在于十八世紀中葉在英國率先爆發，使得英國逐漸工業化，綜合實力日益增長。法國作為長期與英國争霸的對手，也在千方百計謀求技術進步。蒸汽機作為第一次工業革命的标志，成為兩國工業界關注的焦點，工程師們絞盡腦汁，想盡一切辦法提升蒸汽機的工作效率。

然而，人們雖然在技術上已經知道如何制造和使用蒸汽機，卻對蒸汽機的理論的掌握卻遠遠不足，知其然卻不知其所以然。

當時的熱機工程界圍繞如下兩個問題進行着熱烈的讨論：

（1）熱機效率是否有一極限？

（2）什麼樣的熱機工作物質是最理想的？

1803年，法國人拉紮爾·卡諾率先發現，熱機不可能将所有熱能轉換成機械能。這哥們是法國大革命時期著名的軍事家，政治家，是法國征兵體系的建立者，拿破侖那些偉大勝利幕後的頭号功臣，搞科研隻不過是業餘愛好，在分析數學和幾何學方面做出過重要貢獻，對熱機的研究又是業餘愛好中的一個小副業。

他的兒子薩迪·卡諾，則是一個熱機的狂熱研究者。他從理論上推導出理想熱機的最大做功方式（卡諾循環），并指出理想熱機的最大能量轉換效率僅與高溫熱源和低溫熱源的溫度差有關。薩迪·卡諾因此被認為是熱機之父。

薩迪·卡諾

卡諾循環的逆向運行（卡諾逆循環），也就是空調的工作原理。卡諾逆循環表明：沒有外界做功，低溫熱源不可能降溫。這就是熱力學第二定律的最初表達形式。然而，由于卡諾仍然相信即将被抛棄的“熱質說”，并且他本人英年早逝，因此他的研究很快被人遺忘，沒有被追認為熵的最早提出者。

依照熱質說觀點，熱是一種可以從物體表面流進或流出，并可在組成物質的原子間找到的一種無質量的流體。雖然我們今天認為熱質說是錯誤的，但是熱質說可以成功地解釋許多物理現象，因此在當時被很多人相信。

例如，熱茶在室溫下冷卻就可以用熱質說解釋：熱茶的溫度高，表示熱質濃度較高，因此熱質會自動流到熱質濃度較低的區域，也就是周圍較冷的空氣中。熱質說也可以解釋空氣受熱的膨脹，因空氣的分子吸收熱質，使得其體積變大。若再進一步分析在空氣分子吸收熱質過程中的細節，還可以解釋熱輻射、物體不同溫度下的相變化，甚至大部分的氣體定律。

順便說一句，我們不能因為今天推翻了熱質說，就認為它是完全錯誤的理論。從本質上說，一切理論都是錯誤的。我們相信的理論，也不過是因為它能夠在目前所了解的範圍内解釋現象罷了。所謂的“絕對真理”是不存在的。我們今天所相信的理論，隻不過尚未被證僞的假說而已。

德國作為新興的後發國家，為了實現彎道超車，将大量人力物力投入到對更先進的熱機開發中。有一位名叫魯道夫·克勞修斯的有志青年，從上學時就決定對熱力進行理論上的研究。

克勞修斯認為，一旦在理論上有了突破，那麼提高熱機的效率問題就可以迎刃而解，他的祖國就能夠迎來彎道超車的機會。因此他對于熱機研究投入了極大的熱情和精力。

魯道夫·克勞修斯

1854年，他發表《力學的熱理論的第二定律的另一種形式》的重量級論文，給出了可逆循環過程中熱力學第二定律的數學表示形式，而引入了一個新的後來定名為熵的态參量。1865年他發表《力學的熱理論的主要方程之便于應用的形式》的論文，把這一新的态參量正式定名為熵。并将上述積分推廣到更一般的循環過程。

克勞修斯從數學上證明：任何孤立系統中，系統熵的總和永遠不會減少，或者說自然界的自發過程是朝着熵增加的方向進行的。

克勞修斯将熵定義為“無用”的能量，也就是說這部分能量雖然依然存在，但是無法對外做功，也就不能被利用。熵的英文entropy源自希臘文entropia，在希臘語源中意為“内在”，熵表示 “一個系統内在性質的改變”。

熵增現象可以用如下簡單系統來描述。一個絕熱容器被一塊絕熱的隔闆分成相等的兩格，分别裝着不同溫度的理想氣體。如果抽調隔闆，兩邊的氣體将相互擴散，氣體分子之間通過相互碰撞傳遞能量，最終整個系統達到平衡狀态，也就是容器内部處處均質化，表現出同樣的溫度，我們說這時系統的熵達到最大。

在熵增理論提出之前，物理學的所有定律對于時間是可逆的。所謂時間可逆的意思是，在動力學方程中，将表示時間的t替換為-t，仍然完全符合物理規律。時間通常與變化聯系在一起，然而在研究物質變化的動力學中，無論是在經典的、量子的，還是相對論的動力學中，時間隻是外部的一個參量，它沒有什麼方向。

美國加州理工學院物理學家西恩·卡羅爾（Sean Carroll）表示：“你可能會搞混東邊和西邊的方向，但你一定不會搞混昨天和明天。但奇怪的是，基本的物理學定律并不區分過去和未來。”

愛因斯坦也堅定地信仰“物理定律沒有時間性”。1955年3月，愛因斯坦在接到他終生好友貝索（Michelangelo Besso）死訊後，他給給貝索的家人寫了一封信，試着給貝索的家人少許安慰。死并非終點，信中寫道：“對我們這些堅信物理學的人來說，過去、現在和未來之間的區别，盡管老纏着我們，不過是一個幻覺而已……”

愛因斯坦

但是，有用的能量轉換為熵的過程卻是不可逆的，因此時間這個維度在物理定律中第一次有了确定的方向。1927年，天文學家兼哲學家阿瑟·愛丁頓爵士（Arthur Eddington）将熵形容為貫穿在我們眼前的一支永不複返的“時間之箭”。

克勞修斯進一步指出，當宇宙中的一切狀态改變都向着一個方向時，全宇宙必然要不斷地趨近于一個極限狀态。實際上，這裡所說的“極限”狀态就是指“宇宙熱寂狀态”。 因為（所有恒星）都在以同樣方式放散熱能，能源将會枯竭，再沒有任何可以作功的能源了。

熱寂說提出後，立即在科學界引發軒然大波，其影響甚至遠遠超出了科學的範圍，在歐洲的思想界掀起了一場激烈的大讨論。甚至緻力于領導工人運動的革命導師馬克思恩格斯也參與進來。

恩格斯在1869年3月21日緻卡爾·馬克思的信中指出，“這種理論認為，世界愈來愈冷卻，宇宙中的溫度愈來愈平均化，因此，最後将出現一個一切生命都不能生存的時刻，整個世界将由一個圍着一個轉的冰凍的球體所組成。我現在預料神父們将抓住這種理論，把它當作唯物主義的最新成就”，用來作為“必須設想有上帝存在”的論證。他在劄記中寫道：“作為冷卻的起點的最初的熾熱狀态自然就絕對無法解釋，甚至無法理解，因此，就必須設想有上帝存在了。牛頓的第一推動就變成了第一熾熱”。

馬克思與恩格斯

正如一切哲學家一樣，恩格斯雖然從辯證法和哲學的角度批判熱寂說，但是并沒有太多的說服力。要想真正把人類從這種絕望的世界觀中拯救出來，還得回到物理學。

與克勞修斯生活在同時代的英國人麥克斯韋意識到，自然界存在着與熵增相拮抗的能量控制機制，但無法清晰說明這種機制，隻能诙諧假定一種“妖”。

還是回到剛才那個簡單的系統。當系統達到熵最大後，重新在系統中間設置一個絕熱隔闆，并且有一個麥克斯韋妖控制的小門。

麥克斯韋妖個頭迷你，沒啥特别的本事，但眼神好，反應敏捷，能準确地探測并控制單個分子運動，當發現一個高速運動的分子撞向門，則通過控制門的開關，令該分子進入左邊格子（如果該分子原本就在左邊，則關上門，讓其留在左邊；如果該分子原本在右邊，就打開門，讓其進入左邊）；麥克斯韋妖用同樣的方法将低速運動的分子進入右邊格子。如此一來，這個系統不僅左右部分形成了溫差，還實現熵的自發減少。

麥克斯韋妖

表面上看，麥克斯韋妖沒有改變系統中的物質和能量，但是卻讓系統的熵出現了減少，熱力學第二定律在這裡“失效”了。

難道，熵增定律真的是有破綻的嗎？

要解決這個問題，就需要對熵的本質進行更加深刻的理解。

克勞修斯将熵定義為無用的能量，這隻是熵在宏觀層面的表現，能量從“有用”變成“無用”，本質上到底發生了什麼轉變？

與麥克斯韋、克勞修斯生活在同一時代的奧地利人玻爾茲曼，對此進行了進一步探索。這三個人也被并列為熱力學奠基人。

玻爾茲曼的貢獻是，建立了宏觀物理現象與微觀狀态之間的聯系，一個系統的宏觀物理性質，可以認為是所有可能微觀狀态的等概率統計平均值。

玻爾茲曼

玻爾茲曼據此提出，系統的熵實際上是該系統包含可能的微觀狀态總數的自然對數，用如下公式表示：

，其中

是玻爾茲曼常數，Ω則為系統宏觀狀态中所包含的微觀狀态總數。

可以嚴格證明，玻爾茲曼公式的另一種等價表述形式是

其中i标記所有可能的微觀态，pi表示微觀态i的出現幾率。

為什麼微觀狀态越多，表明系統的無用能量越多呢？

這可以用一個簡單的比喻來說明。

一隊幼兒園小朋友參加拔河比賽，他們整齊地站成一列，朝着同一個方向使力，就可以對外做功，這樣的一隊小朋友所包含的狀态極為有限，無非是他們排列順序不同。老師說現在休息，于是小朋友們散開各玩各的，這群小朋友就處于混亂無序的狀态，無法對外做功。此時小朋友的狀态總數要比剛才高得多，也就是這個群體的熵增加了。

因此，熵雖然與物質和能量相關，但它既不是物質也不是能量，而是描述系統内部的有序度。

物理學研究的對象是物質、能量、時間、空間以及他們之間的相互關系。有序度是個什麼鬼？是怎麼混進物理學的隊伍裡來的？

這個問題表面上看起來很簡單，但是要回答這個問題，相當于追問宇宙的本質到底是什麼。這也牽涉出科學史上一個著名的思想實驗：神秘莫測的“玻爾茲曼大腦”。

欲知詳情，下一篇接着聊。

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