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什麼是熵增什麼是熵減

生活 更新时间:2024-12-03 04:10:27

原創/王的學習筆記©


由于解釋了某些商業、社會現象,而且聽起來又高大上,導緻“熵”或者“熵增”可能是現在嚴重被濫用的概念之一。

什麼“系統的混亂程度”、“系統趨向于從有序向無序發展”、“生命以負熵為食”……等等表述都似是而非,甚至于引發一些錯誤認識:

天下大勢分久必合合久必分,這是曆史上既有的現象。如果熵增是對的,那天下大勢應該趨向于越來越分,而不是分分合合; 一個系統有序程度越高它的熵也可能會越高,比如中國封建體制,三綱五常。這些東西導緻中國長期以來越來越缺乏活力和創造力。真正有序指内在的秩序,而非表面強制性的秩序……

這些我稱之為“自定義熵”。

也就是找到跟“熵”的概念有點類似的表述,然後來和需要解釋的現象進行類比。用看似科學表達方式增加自己的說服力。

而且這個說服力還不錯,畢竟很多人也未必知道究竟什麼是“熵”。

如果隻是簡單類比那無所謂,類比不講求邏輯嚴格,用來輔助理解概念還有獨到的價值;但不要把類比當概念本身,否則将在真正需要這個概念的時候會被坑。

什麼是熵增什麼是熵減(一次性說透究竟什麼是)1

左邊的杯子剛剛滴入一滴墨水,墨水還沒有完全與水混合,留下不規則路徑;右邊的杯子是經過足夠長時間後,墨水完全與水均勻融合之後的樣子。

從直觀上看,哪一個更混亂?哪一個更無序?

顯然是左邊杯子更混亂和無序啊!

右邊的十分均一、規律,甚至用數學描述水中墨滴的分布都很容易——都是均勻分布;但是左邊這個,你描述一下墨滴的分布試試?

但其實左邊的杯子熵更小,右邊的熵更大。右邊是左邊“無序化”之後的結果。

這個“墨滴入水”是通常用來解釋熵增的例子。

不知道你看到這個例子的時候什麼感覺,我的感覺是:為什麼不解釋一下明明看起來更混亂的東西熵卻更小?為什麼經過“無序化”之後,看起來似乎更“有序”了?

這就是對“混亂”、“無序”這些概念随心所欲理解導緻的結果。

“熵”是一個具有統計學含義的概念,如果不從統計學入手,就談不上對這個概念理解。

把這個杯子滴墨水的情況簡化一下:

什麼是熵增什麼是熵減(一次性說透究竟什麼是)2

假設有6個微觀的墨分子,它們滴入杯子後可能占據的空間有兩個,這會形成如圖所示7種宏觀表現:

A中,6個分子全部集中在上部,這時候隻有一種可能性;

B中,5個分子在上部,1個在下部,這時候相當于從6個分子裡随便選一個放到下部,所以共有6種可能性;

C中,4個分子在上部,2個在下部,相當于從6個分子裡随便選2個放到下部,這是從6中選2的組合,根據組合公式共15種可能性;

D中,3個分子在上部,3個在下部,相當于從6個分子裡随便選3個放到下部,這是從6中選3的組合,共20種可能性;

以此類推,E、F、G中分别有15、6、1種可能。

D這種宏觀狀态對應的微觀墨分子狀态最多,也就是D中墨分子的形态最多、最“自由”、最沒有“受約束”。

如果一個一個地往杯中放入墨分子,最可能的情況是D,所以D這種宏觀态“出現的可能性”最大,也就是概率最大。

由于概率最大,即使開始是A或G這種高度集中的情況,最終都會趨向于D這種均勻分布的情況,也就是A和G逐漸往中間的D靠攏。

因此熵概念中的“無序”指的是:

系統中微觀态個數最多的情況。

微觀粒子受約束越小,微觀态的個數就越多;而要約束粒子就需要能量,這就是從宏觀上看,能量總是從集中的地方向分散的地方流動的原因。

捋一下思路:

什麼是熵增什麼是熵減(一次性說透究竟什麼是)3

這個過程就是“熵增”。

上面的簡化模型隻有6個墨分子,如果是一萬個墨分子經過計算就知道,A和G的出現可能性高度趨近于0。

因此“熵”的含義是:

微觀個體的形态經過統計後,在宏觀上表現出來、不斷往概率最大方向移動的趨勢。這個概率最大的方向就是宏觀上看各處“均一”的方向。

相應“熵”也表達了以下通俗含義:

  • 約束個體可以保持統一,但是保持統一需要不斷施加和消耗能量。組成系統的個體越多,保持統一越難;
現在合夥人制度越來越流行,主要是為了降低企業運作成本,但是相應的,合夥人制度對人的選擇就是關鍵,價值觀、信賴程度甚至脾氣是不是相投都是重要因素,比找對象還難。因為這個制度相比傳統公司員工來說是弱控制。為什麼需要這種弱控制?就是公司(系統)達到一定規模後,個體(員工)越來越趨于“無序化”,要約束他們消耗的能量(時間金錢情感資源)越來越多,這背後是數學規律,并不是人的道德、意志這些東西決定得了的,大到一定程度公司必将不可承擔,必須将部分功能拆分出去。
  • 約束需要能量,但是能量不可能永存,于是需要向外獲取。然而向外獲取增加了系統複雜性;
中國體量那麼大、個體那麼多的國家,從熵增的角度看,要維持自身穩定性可想而知有多難,于是必須與外部環境産生能量交換,也就是進行世界貿易;但是一旦這麼做了,必然增加系統複雜性。相應美國更是,個體規模還沒中國的零頭多,卻在各個領域與世界上各種國家進行“能量交換”——軍事政治經濟文化意識形态……美國一直盡其可能把自己的“熵”保持相對低狀态,代價是其他國家加速熵增。
  • 微觀态個數暴增,進而增加了熵增速率,也就增加了系統崩潰風險;
為了适應和處理複雜多變環境,人腦神經元暴增到大約1000億個,腦細胞數量大約有120億個,這樣龐大個體數量形成的系統要維持穩定多不容易,這也使得人腦及為脆弱。人類大腦雖然隻占體重2%左右,消耗20%以上的氧氣和葡萄糖,看似消耗量極高,但是從熵的角度看,這簡直是精巧到極緻的系統,竟然如此節能高效,如果是同等規模的人造系統,早崩潰無數次了。
  • 約束是暫時的,“自由”才是終極趨勢,最“自由”也意味着最混亂;
對于生命體而言,生命本身就是約束,終極的“自由”是個體死亡,細胞以及構成細胞的有機物紛紛解體,去到了出現最大概率的地方。而生命隻不過是物質演化到一定程度出現的一種形态,沒有生命的恒星演化也是如此,沒有什麼能逃過熵增,尋求永生尤其是腦永生那簡直是妄念。
  • 低概率的事物才是能量集中的事物,才“有價值”。當然,由于概率低,風險自然也高;相應,最“自由”、概率最大、最沒風險的事,也就最“沒價值”;
不知道你對“風險越大,收益越大”這類說法有沒有産生過疑問,為什麼風險和收益成正比關系?本文就從概率統計和熵的角度告訴你,風險和收益的正比關系幾乎是個必然,是一個以數學為的規律。人們往往通過各種手段降低風險,比如分散投資、優勢互補、隐藏信息、欺騙他人……但是要獲得高額回報,必然要找那種“概率低”的事情或地方。請記住——概率低就是風險高,同一個東西不同的表述而已。風潮已現的、形成大趨勢的、已經穩定不再大幅變化的領域,往往概率大、風險低,“價值”也低。

當然,其他“通俗含義”還有很多,因為熵增是宇宙基本規律之一,到處都有其表現十分正常。

最後還是想吐槽下流傳已久的一句話:生命以負熵為食。

熵的數學定義是:S=klnΩ

k為玻爾茲曼常數,k=1.3807x10-23J·K-1;Ω就是前面一直說的微觀态個數。

很顯然,k是正數、Ω也是正數,兩個正數相乘怎麼會得到負數?哪裡來的負熵?所有的熵都是大于等于0的。

所謂“生命以負熵為食”想表達的隻不過是“生命會從熵比自己低的地方獲取能量,維持自身的穩定性;通過加速對方熵增速率(比如殺死對方),來降低自己熵增速率。”

恭喜!以熵為基礎的各種花裡胡哨的概念,再也沒那麼容易騙到你了。

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