為什麼宇宙能在熵增過程中實現有序?
想必題主要問的是為何人類能在無法避免的熵增宇宙中製造出秩序吧。其實問題的核心涉及到一個我們每天都在利用的東西——信息。
早在1871年,麥克斯韋就提出了這樣一個看似違反熱力學第二定律的思想實驗。場景十分簡單:有兩個絕熱的房間A和B中間被一道隔板隔開。隔板上有一道小門可以被在房間外的一個「麥克斯韋小妖」操控。兩個房間里裝著做不規則運動的空氣分子,而小妖要做的就是觀察空氣分子的運動然後選擇適當的時機控制房門的開閉讓運動速度較快(熱)的分子都進入房間B,而運動較慢(冷)的分子都進入房間A。最終,在不引起其他變化的狀況下,熱分子全部集中到了B,冷分子全部集中到了A——A和B之間形成了溫度差。於是麥克斯韋聲稱,這是一個違反熱二率的熵減過程。
破解這個疑問的關鍵就在於「信息」。麥克斯韋小妖看似沒有讓系統發生其他改變,它所做的是從系統里提取了信息。信息在生活中往往被我們看成抽象而虛擬的東西,然而正如文字必須記載在石頭或書本上,數據(即「0」和「1」)需要儲存在電腦的內存里,信息的存在是離不開載體的,信息是要佔用空間的。雖然看不見摸不著,但信息無疑是一種客觀實在。而這種客觀實在現在進入了小妖的腦中,形成了一種特殊的「信息熵」。每當小妖進行一次門的開閉操作(「0」或者「1」),其腦中的信息熵就會增加,因此該系統在整體上並沒有違反熱二律。更有趣的是,即使小妖試圖將腦中之前的信息刪除也無法挽回熵增的進程。1961年,羅夫·蘭道爾發表論文《不可逆性與計算過程中的熱量產生問題》,在論文中,蘭道爾指出計算機擦除一個比特的信息要消耗的最小能量是kT ln2 (k 是玻爾茲曼常數,T是環境溫度)。刪除信息是需要能量的,這個能量最終以熱量的形式耗散至環境中,其結果仍然是熵增。
麥克斯韋小妖的本質就是人類我們自己。我們無法憑空創造出秩序而不付出任何代價,而這個代價就是「信息」。