热力学第二定律指出，宇宙将趋于高熵状态。如果事实如此，那么当宇宙中所有的物质处于混乱状态时将会发生什么？物质还如何守恒呢？

让我们从第二个问题入手。物理学家往往倾向于说能量是守恒的，而不是说物质守恒。在相对论中，我们可以将一个（物体或能量）转换为另一个，在此过程中能量永远守恒。这一说法并不与热力学第二定律相冲突，热力学第二定律指出，在封闭系统中，任何过程都可以保持熵的总值不变或增加。这些理论的关键在于能量的形式，现在在宇宙中存在许多将不同形式的能转换成热能的过程。那么问题是，如果所有的可用能量都转换成了热能，将发生什么呢？

这在19世纪是个热门话题，当时的人们称这个问题为“宇宙的热死亡”。简言之，一旦宇宙中的所有能量都被转换为热能，那么宇宙将处于平衡状态—即所有的事物都将处于同一温度并且熵的总量将恒定不变。而事实是宇宙在不断膨胀，那么就要在这个理论基础上更深化一点，一个不断膨胀的宇宙是永远无法达到平衡状态的，但是19世纪的科学家们并不知道宇宙膨胀理论，所以他们只是假设宇宙是静态的。

在这样一个膨胀的宇宙中，光子间存在一种“热浴”现象，这些宇宙微波背景下的光子“温度”是2.78开尔文，这个温度着实很低，并且显然要比你我或是太阳都要低得多，所以在宇宙的热浴中，我们并没有处于平衡态。但是随着时间的推移，随着太阳表层氢气的燃烧、行星间的碰撞与分裂、以及粒子的衰减等等，所有的事物最终都将以光子或其他基本粒子的形式存在，从而达到平衡状态，这就是热量转换的过程。但是我们现在无需担忧宇宙因为热量转换而导致的消亡结局，原因在于，我们周围的事物都转换为热量所需要的时间远远大于现在宇宙的年龄，我们的宇宙只是在十分十分缓慢地走向平衡。

热力学第二定律表明，宇宙的总熵永远不会下降。和其他热力学定律一样，第二定律也建立在大量的数据基础上，并且通过假想房间中的氧气分子，这一定律可以很直接地被证实。

熔冰——增熵的经典例子，1862年被鲁道夫·克劳修斯描写为冰块中分子分散性的増加。

假设最开始的时候，所有的氧分子都以一个完美且规则的排列方式聚集在房间的一个角落里。随着时间的推移，我们发现氧分子将开始扩散。一个房间一样大的空间里，氧分子有无数种排列组合的方式，但是其中只有非常少量的一部分与其初始状态一样有序。同样地，我们可以理解为什么粒子在空间中随机分布的状态是最有可能的。通过这两个简单的例子，我们可以推断出这样的结论：随着时间的推移，房间中的空气分子将不断扩散直至他们都变成随机分布的状态。理论上来讲，通过计算所有可能存在的状态数可以确定熵的数值。

这个思维模式使得物理学家开始质疑时间的流向。在我们假设的房间里，短时间内氧气分子的确有可能变得更为有序，但是总体上看他们必然趋向于无序状态。所有可以验证氧气分子运动规律的物理学定律（牛顿力学定律和经典电磁学）都是可逆的，所以对于一系列随机分布的粒子，其如前所述的运动模式应当同样可逆。但是事实恰恰相反，这是因为无论我们以何种方式取时间节点，粒子都将以该节点为时间起点开始扩散。

热力学第二定律说，涉及热能转移或转换的过程是不可逆转的。 图片来源：Hayati Kayhan

在宇宙中我们观察到了时间明确的方向。虽然没有人知道为什么时间的流向是这样子的，但是如果时间逆向，那么根据第二定律，所有我们已知的高级生命都将不复存在。

一个公认的观点是，宇宙最初的状态必然是比现在更加紧凑有序的。如果大爆炸的假设成立，那么宇宙的初始熵为零。即使是现在，我们都可以观察到宇宙中物质不断扩张和冷却的过程（即宇宙微波背景）。如果我们应用热力学第二定律来解释此过程，那么宇宙必然会继续扩张，也会变得更为无序，并且当宇宙生存时间足够长，其中的物质将会均匀分布、熵值最高，最终导致“热死亡”。在上述过程中，可能存在一些几乎可视作无限小的波动，但是除了那些波动，宇宙终将走向灭亡。

最后需要注意的是，黑洞似乎是违反热力学第二定律的，因为奇点是物质最有序的形式，所以应该熵值为零。但是，史蒂芬霍金证实了黑洞所吸收的物质熵存储在其事件视界的表面区域，因此当黑洞由于霍金辐射衰变时，这些物质熵也将被释放回宇宙中。

有一些相当有见地的第二定律等价命题：

1）一个过程中，如果系统的初态和末态相同，那么热不可能全部被用来做功。

2）热将自发性从一个高温物体流向低温物体。

3）熵的变化等效于沿可逆路径的热量变化除以温度。

4）孤立系统的熵总是在自发过程中增加。

最后一种定义本质上就是我们正在讨论的那个。

“熵是无序的”，这一说法严格来说并不正确，但是不幸的是，这个概念已经广为流传了。

黑洞（中）在大麦哲伦星云前面的模拟图。请注意引力透镜的影响，产生了放大的，但高度扭曲的星云的两个影像。在顶部的银河系盘面扭曲成一个弧形。

考虑这样的情况：液体凝固成一个分子有序排列的晶体；根据熵的上述定义方法，这一过程应该永远不会发生，但是我们知道这个过程是存在的。为什么？

对于熵的更好的一个定义方法是由波兹曼提出的，基于统计力学规律的：

熵可以被认为是与系统内部自排序方式的数量直接相关，每一种排序方式都构成了系统的一个“微观状态”。

因此，一个系统力求其不同微观状态的总数最大化。

为了更清晰地说明这个原理，试想一个充满气体的容器。其中的气体所占体积恒定、所处温度恒定。在这个容器中，气体分子将不断运动，如果在某一时间点暂停这个系统中的所有分子活动，我们将发现这些分子都停留在一个固定位置上。将这些分子的位置信息汇总即可得到一个系统的微观状态。那么现在我们将系统重启备份，稍后终止运行，在此过程中我们（或许）将发现这个系统处于一个与之前备份不同的状态。系统运行足够长时间后，这个系统将遍历所有可能的微观状态，并最终处于同一微分状态。而这个系统所有可能的微观状态越多，这个系统的熵就会越高。

这样子理解这一定律后，不难发现熵与系统无序与否无关，而与系统微观状态有关。

熵值总是不断增加的，因为当一个系统可能的微观状态最多时，这个系统达到最稳定的状态，而系统的无序性不是其影响因素。

物质不一定守恒，而能量一定守恒。

下面考虑这样一个案例：两个原子经历核反应并不断释放能量，这一过程与原子弹或是核反应容器中的核反应相似。这个产品的质量（物质量）必然将小于初始状态的数值—质量消失了！这是因为失去的物质质量转换为能量了。

爱因斯坦提出了质量损失与产生的能量之间的关系方程：E=mc^2

能量而不是质量是守恒的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. physlink- Scott Bembenek

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