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熵的定义

熵是热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S表示，其物理意义是体系混乱程度的度量。熵是一个系统中无秩序的程度，也表征生命活动过程质量的一种度量，其物理意义是：表征系统内混乱（或无序）程度，物质熔化时所需要的热量除以熔点温度就是它的熵增加量。

凝聚态的熵在等温过程中的改变随绝对温度趋于0。通过可逆的、微小的、迟缓的变化，物质进入另一种不同的状态，其中自然包括分裂为两个或多个物理、化学性质不同的部分。另外当系统达到热力学平衡态时，熵值最大。

最早提出熵概念的是拉扎尔·卡诺，他以研究发动机和领导法国革命军而闻名。拉扎尔对输入系统的功和输出系统的功的比较之间的关系非常感兴趣。他把输出的功称为“有用的功”，而把损失的功称为“转换能”。这就是后来的熵。

他的儿子（萨迪·卡诺）继续老卡诺的工作，研究发动机。他是著名的卡诺循环的发现者，卡诺循环是经典热机效率的上界。萨迪认识到，在从热到功的转换过程中，总要损失一些能量。这是表述热力学第二定律的另一种方式，它本质上说熵永远不会减少。

随后，其他一些科学家改变了这个概念，以适用于他们各自的领域。鲁道夫·克劳修斯是第一个正式将其称为“熵”的人，并在研究热量时利用了它。他选择这个词是基于希腊单词“entropia”，意思是转变。路德维希·玻尔兹曼在他的统计力学发展中很大程度上依赖于熵。埃尔温·薛定谔将进化中的突变与熵的增长联系起来。最近，克劳德·香农把他的整个信息理论建立在熵的概念上。

有了这么多不同的领域和用途，难怪熵变得如此重要。我记得在本科学习期间，我遇到过几个与熵相关的定义和方程，它们似乎都不相关。唯一共同的特征似乎是随机性。

让我们来看看熵是如何在这些领域中应用的。我们已经在热力学的意义上讨论了一点，但是我们可以更深入地讨论。熵测量了能量是如何扩散的，热力学第二定律说，能量总是会随着时间变得更加分散。但没有确切的函数告诉我们能量是如何运动的，我们也没有“扩散”的具体定义。我将举一些第二定律的例子，希望你们能理解。

如果我们把一个热平底锅放在外面，它会逐渐冷却下来。这是因为平底锅里的热量正在慢慢扩散到附近的分子中。随着时间的推移，这种能量会更加均匀地分布。想想漂浮在水中的冰块。冰中的分子比液态水中的分子含有更少的能量。然而，随着时间的推移，冰会融化，来自水能量会扩散到冰中。

熵是一个过程的自发性的中心。如果一个过程的熵增加（比如上面描述的两种情况），那么它会自己发生。如果一个过程的熵降低了，就像冰在一杯常温的水中随机凝固一样，那么除非外力（冰箱）作用于它，否则它不会发生。

熵与宇宙

这是关于宇宙历史的简短介绍。大爆炸发生后不久（大约140亿年前），宇宙处于一种在所有地方看起来几乎完全相同的结构，我们称之为同质结构。意味着物质的分布有微小的波动，最终导致物质聚集在一起(由于引力)，形成我们今天看到的结构，从行星到恒星和星系。我们称这个婴儿宇宙为原始宇宙。另一方面，当今的宇宙是高度不均匀的：与在太空中，在太阳表面或在黑洞附近相比，在地球表面上的体验有很大不同。

我们的银河系，从地球上看。幸运的是，我们离宇宙最大熵的状态还很远。

有趣的是，原始宇宙是整体熵最低的宇宙的结构。这是为什么呢？再想想水/冰块的例子。如果你选择一个随机的时间来观察宇宙，它更有可能在一些随机形成的团块中找到它，而不是在一个所有东西都均匀分布的状态中。发现宇宙处于一种近乎完美的同质状态，就像发现一支笔尖完全平衡的铅笔。它是不稳定的。