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AAAA学科01:熵与热力学重要模型

熵和热力学第二定律

今天,我们来讲讲熵和热力学第二定律。

爱因斯坦说,你可以不懂相对论,可以不懂牛顿力学,但是你不能不懂热力学第二定律和熵,因为它真的对指导我们的生活有着巨大的价值。

了解熵的原理,其实可以为我们生活中很多的问题提供思考方向,比如说

  • 为什么挺直腰就可以集中精神?
  • 为什么运动很重要?
  • 为什么好音乐能改善我们的生活?
  • 为什么人不能太安逸?
  • 应该选择什么样的公司?
  • 应该选择什么样的城市?

熵大家都可能听说过,但是真正想要说清楚它是什么,就是感觉云山雾绕。

1.什么是熵?

先从最简单的地方开始。假设有两个容器一个容器里面装了热水,另一个容器里装了冰块。

举例:热水和冷水容器

根据中学物理学常识,哪一个容器里面分子更活跃?

很明显是热水的分子更活跃,因为热水的分子排列更松散,而且动能更大。

而冰块这边的分子排列很紧密,而且动能更弱。

接下来我们把热水和冰块的分子排列情况做一个简化,简化成只有四个分子。

我们来数一下这些分子可能存在的排列方式:

冰块分子全部挨在一起,所以只能有1种排列方式;

而热水这边,分子是松散排布的分子,可能的状态有 N 种。

熵它就是把 1 和 N 这种表明可能存在状态的数字,取一个自然对数,然后再乘以一个数算出来。

S=k·lnW

我们可以直接忽略掉 K 和自然对数,用一个更简单的理解方式,熵的本质就是一个我们设想出来的数值,这个数值跟物体或者系统可能的状态数成正比

说到这里,你已经从数学上理解了熵。

不过这还不够,因为这个公式太抽象了,它没法拿来应用到我们的生活中。

熵是代表了混乱,但是从这个公式里面,我们不太容易看出来。

2.为什么熵代表了混乱?

举例:放家具

假设有两种在房间里面放家具的方式:

红色没有规则,随便放;

蓝色按照一定的规则来放,比如台灯放在桌子上面,床和床头柜要放在一起。因为条件更苛刻,状态数更少,熵更小,更有序。

而很明显红色这边更乱,状态数更多,熵更大,更无序。

举例:堆砖块

左边金字塔形,右边随便乱放。

左边1种状态,右边N种状态。

至此你已经对熵有了初步理解。

状态数有另一种说法——可能性

你看,把它想象成是从高处随机把一堆砖头丢到地上,更有可能会出现哪一种情况?

肯定是右边,如果出现左边(金字塔)这种情况,真是奇迹了。

所以其实状态数越多,它也代表了更高的可能性,而状态数越少,代表了更低的可能性。

更大的可能性往往代表更高的熵,而更高的熵代表更加混乱。

随机的危害

理解了这层对应关系。对于我们的生活来说,它可不是什么好消息,因为

  • 如果随波逐流,一个普通人的人生更大可能是混乱的,而不是有序的
  • 如果因为催婚而结婚,那么这段婚姻更可能是不幸的,而不是幸福的
  • 如果你想做出点与众不同的事情,更可能会遭遇失败,而不是成功

在这个世界上,混乱才是常态,而有序是需要刻意营造的。

理解这一点,对于年轻人来讲真的很重要。

熵这个概念,它也不是只能拿来解释那些宏大的问题,比方说,

为什么挺直腰可以集中精神?

因为挺直腰就对应了更少的可能的状态数,所以它代表了更小的熵,也代表了更有序的状态;

放松的时候,状态数据很多了,你可以站着、躺着、坐着、斜靠,葛优躺都可以。状态数多,熵就增大了。熵增大了,我们也就更加容易走神了。

前面我们了解了熵的概念,我们还需要了解熵和时间的关系。

3.熵与时间

熵增定律告诉我们,在封闭系统中,熵会随着时间的推移而增加。

比如一种年久失修的房子会破败;一辆在路边停留很久的单车会生锈。

为什么这个过程它不能反过来,一个生锈的自行车放久了,为什么不会自动变得崭新?

要理解这个问题,我们需要了解一个概念,就是封闭系统

封闭系统

在物理学上,封闭系统有两个更加精确地定义,孤立系统封闭系统

  • 孤立系统:跟外界没有能量和物质交换的系统。
  • 封闭系统:没有物质交换但有能量交换的系统。

我们先简单把这两个概念统称为广义的封闭系统,一个与外界隔绝的不交流的系统

可以用一个非常简单的模型来理解封闭系统。

一个容器里面有空气分子,分子只能分成左边和右边两边。

最开始的时候,假设空气分子全部集中在左边,那么随着时间的推移,分子会怎么活动?

分子会逐渐平均化,左边的分子会逐渐移到右边来,最终它们会形成这样一个状态:

关键点已经来了,这个时候它们的熵是变大了,还是变小了?

我们来回忆一下熵的定义,因为熵跟状态数成正比,后一种情况,状态数明显是更多的,为什么?

你想象一下,同样多的分子,在两倍大的空间里,它们能够随机分布的位置就更多了,能够产生可能的状态数就更多了,而状态数更多,熵就更大了。

你看,在刚才封闭系统里,随着时间推移,系统就会变得越来越无序,越来越混乱了。

但这个跟我们观察人类社会的直观感受不一样。

因为我们发现,人类社会是在不断进化的,科技文明在不断发展,我们并没有变得更加野蛮和混乱,这个怎么解释?

一定存在某种特定的系统,它是可以让熵越来越小的。

比如初始状况,如果是这样子的,随着时间的推移会反过来,这些分子会全部集中跑到左边去,而不是保持平均分布

怎么样才能做到这一点?

这就要提到麦克斯韦的思想实验。

麦克斯韦的思想实验

麦克斯韦这个人大家可能不太熟悉,但是麦克斯韦方程相信大家都听说过。

实际上,麦克斯韦是十九世纪最重要的物理学家之一,他奠定了整个电磁学的基础。

当时他做了这样一个思想实验,在封闭系统里面,放进去这么一个小人,这个小人只做一件事情,就是判断,判断什么?

如果分子是从左边往右边走,就不给通过;

如果是从右边往左边走,就给通过,就这么简单。

只要这个小人一直在工作,随着时间的推移,分子的自由移动,它会慢慢的全部集中到一边去,就会出现这样的局面:

麦克斯韦妖(如果分子从左往右就不通过,从右往左就通过)

右边的分子全部跑到左边来,这不就是熵减了

所以这个简单的思想实验,实际上在十九世纪时造成了巨大的轰动,它蕴含着一个深刻的哲理:

到底这个小人,他做了什么事情,可以让一个系统自动自发的变得更加有序?

如果解答了这个问题,我们就找到让世界变得越来越好的密码。

所以我们仔细看就发现,这个小人他一直在做两件事情,就是正确的感知和正确的选择。

只要他能够不断地做好这两件事情,随着时间的推移,整个系统是变得越来越有序。

它背后蕴含的哲理就是,感知和选择,是可以使事物变得更加有序的

我想这个对大家是很有启发的,比如我们正常人的大脑,在日常生活中是混乱无序的。

美国国家科学基金会曾经发表过一篇文章,发现普通人每天脑中会闪过1.2 万- 6 万想法,这就很像我们上面讲的分子随机运动的容器。

如果套用刚才我们说过的思想实验,假设我们如果能够在大脑里面放一个小人,他每天负责判断我们的念头是什么,我们应不应该想它,只要我们经常这么做,就可以使大脑变得越来越有序起来。

这也就是论语中“吾日三省吾身”的道理。

所以你看,了解的熵增定律,也可以让我们知道如何让我们每天大脑更加有序。

让我们更进一步,再观察一下这个小人做的事情,感知和选择是需要能量和信息的

你看,他去感知这个分子的运动状态,还要去阻挡它,这两件事情都需要能量的,而他要去判断哪个方向可以通过,是需要逻辑的,这个就需要信息输入了。

所以放入了这个小人之后,整个系统其实是从一个封闭系统变成了一个开放系统。

尽管表面上看,它还是与外界隔绝的,但实际上我们给这个系统注入了什么?

能量和信息

所以,这里面我们又得到一个新的东西:

4.耗散结构

这个世界上有一种系统,它能够不断地从外界输入能量、物质和信息,自己可以不断的排出熵

这个东西就叫做耗散结构

最典型的耗散结构就是河流,你看河流要从上游注入水分子,而且水分子从高处往低走,还会带来能量。

所以河流这个系统,它是永远不会腐败的,一直保持着动能和活力。

问渠那得清如许,为有源头活水来——朱熹《观书有感》 深淘滩,低作堰——都江堰 李冰父子的治水名言

而与它相对应的,比方说,一个年久失修的游泳池,池水就会腐败,肮脏发臭,因为它是一个封闭系统。

流水不腐就是这么一个原理,因为流水就是一个耗散结构。

流水不腐,户枢不蠹——《吕氏春秋·尽数》

耗散结构有一个很有趣的特点,比方说河流,你每一天看到它都是新的,因为它的水分子都是不一样的。

但有趣的是,它千百年来又都是同一条河流,这是个哲学命题。

释迦牟尼佛在 2000 多年前,就跟波斯匿王探讨过这个问题。

所以,耗散结构这种神奇的东西,古往今来,其实有很多的智者都思考过。

耗散结构为什么神奇?

因为它是一个动态平衡体,而不是一个静态平衡体。

动态的意思就是它是一直在变的;

但平衡的意思就是它一直保持着一个稳定形态。

了解耗散结构,我们也可以顺便解答下面两个问题:

如何选择城市,如何选择公司?

城市和公司它其实也是耗散结构,所以我们要选择那种效率更高、运转更良好的耗散结构。

我们应该加入那种能够不断从外界吸取能量和信息,不断做出成绩,让自己变得越来越有序的城市和公司。

反过来,不要选择尽管现在很有成就,但是已经陷入了自我封闭,自我感觉很良好,拒绝跟外界进行信息和能量交换的城市和公司。

因为如果你进入这样的封闭系统,最大的问题就是,不管现在它看起来有多好,它能给你多安逸的生活,甚至多高的工资,但是随着时间的推移,它一定变得越来越糟糕,这是熵增定律决定的。

关于选择职业公司或者城市的话题,我们在系列课程的后半段,还会有专门的章节来讲解,所以今天就不展开了。

5.人体耗散结构

我们人体也是个耗散结构。

你看生物学上,我们学过新陈代谢,人体的运动方式就是不断通过注入能量、信息和物质,让自己不断地从身体里面排出熵。

我们人是每天都在变化的:

大脑里面的海马体,每天都会新生出 700 多个神经元;

我们的皮肤每 28 天就会全部更新一次。

红血球大概 4 个月就会更新一次;

肝脏 5 个月会全部更新一次;

而我们的骨骼大约 7 年时间就会更新一次。

所以,7 真的是个很神奇的数字。基本上,人体每7年大部分的细胞都会全部换过一遍。

那么既然你身上大部分的细胞都换掉了,那么你还是那个你吗?

所以从细胞的层面上来看,其实你已经不是以前那个你。

所以了解耗散结构原理,我们就能从物理学的层面发现,人真的是可以彻底重塑自己。

人重塑自己需要多长时间?

大概是4-7年,所以不管我们现在对自己有多不满意,脱胎换骨这件事情是真的有可能发生的。

只要给我们7年时间,我们真的是能够从生物学的层面完全脱胎换骨,永远不要给自己判死刑。

如何保持人体良好运转?

那我们来研究一下,如何让人体这个耗散结构运作良好?

人体耗散结构仔细拆分一下

外循环

输入端:求知、食物、娱乐、环境;

环境指的是家庭、朋友圈、工作氛围、城市等,环境会综合影响信息和能量的输入;

输出端:排泄物、负能量、负信息,这些都是熵。

  • 排泄物:屎尿屁(毕导的专业领域)
  • 负信息:如果正信息是消除世界的不确定性,那么负信息是增加了世界的不确定性,比如撒谎、谣言、胡思乱想,因为它们会干扰我们的生活,增加世界的无序性。

这个主流程上下连通,形成了外循环系统。

内循环

睡眠、运动,思考,日常活动,这些因素都会不断循环,它会产生一些成果,再反过来作用与输入端的一些要素。

比如说求知-信息,食物-物质,娱乐-能量(比如听好音乐、唱好内容、从事兴趣和爱好)

睡眠、运动、思考和活动,我们在精力管理节课会更加详细讲。

看完图,给我们什么启发?

我们应该如何运转好自己这个复杂的耗散结构?

虽然它很复杂,但是策略并不复杂,就是

管吃不管拉,管睡不管醒;因上努力,果上随缘

什么意思?

如果你睡得早,你不可能起得晚;

如果你因都是对的,那么得到好的结果,就是时间的问题。

这张图里面,我们应该把焦点全部放在蓝色的部分;

蓝色部分(求知、食物、娱乐、环境、睡眠、运动、思考、活动)

而对于红色部分的东西,我们应该采取什么态度?

红色部分(排泄物、负能量、负信息)

我们应该接纳它们的存在。

如果我们经常忍不住抱怨、胡思乱想、拖延症,其实是因为你身体里面积累的熵太多了,它们是要被排泄出来。

我们最容易犯的错误,就是无法接纳自己红色的部分,产生了大量的自责,而自责很有可能会阻止你继续排出熵,最终导致另外一种结果就是身体的病变

反过来,我们应该从源头去减少身体里面积累的熵,而不是产生了很多熵,而去压抑排解它们的过程。

这个原理当然也会适用于 如果我们取得的负成果,我们眼前不能光盯着负成果,去后悔、去懊恼,

而是应该释怀和接纳,盯着我们蓝色的这些模块去下功夫。

蓝色部分(求知、食物、娱乐、环境、睡眠、运动、思考、活动)
如果错过了太阳时你流了泪,那么你也要错过群星了。——泰戈尔 《飞鸟集》 乔哈里视窗,人生不是得到就是学到

比如说

我们应该采取什么样的活动?

我们的睡眠、运动、思考做的够不够好?

我们的求知、娱乐方式是不是使我们的身体减少了熵?

这些才是使我们产生正成果的概率增加的核心原因。

所以,了解耗散结构原理之后,你就会发现那些鸡汤里面教大家不要负面情绪,为什么没有用?为什么你会觉得很空?

因为它们抓做了重点。要知道依靠决心和自责是过不好这一生,我们需要刻意改变的东西,就是耗散结构的输入

而对于已经产生的坏结果和坏行为,我们应该尽量接纳

要明白,会抱怨、会撒谎,会懒惰,会拖延,这些其实都是系统的熵往外排出的结果;

关键在于我们需要改善系统的输入,让我们身体减少熵。

如何自救?

到了这里,我们再问一个更残酷的问题,如果我们已经被困在一个封闭系统里面,怎么办?

比如,我们不喜欢自己的城市,甚至有一份不满意的工作,但是一时半会也离开不了。

我们被限定在一个相对封闭的系统里面,我们还怎么过好接下来的日子?

你看在一个封闭系统里面,你改变不了这个封闭系统本身的格局,但是你依然可以做好感知和选择这两件事情,只要做好这两件事情,你就可以使得整体的熵逐渐减少。

我们来举一个非常非常极端的例子——纳粹集中营,这应该算是一个极度糟糕的封闭系统,现代监狱和集中营相比,简直就是天堂了。

著名的心理学家维克多·弗兰克,他是《活出生命的意义》这本书的作者。

这本书应该是美国 50 年代以来最有影响力的书之一了,Viktor在二战时就被关进了奥斯维辛集中营,一直关了三年,

当时这个集中营中,每 28 个人只有 1 个人能活下来。Viktor的父亲、母亲、哥哥、妻子,身边几乎所有的家人都死在集中营里,而身边没有死的很多人都精神失常了。

在这样一个神经病的环境里面,他却发现了一种方法,可以一直保持头脑清醒和身体健康,这个东西是什么?

他在书里面写写道,这个东西就是选择的自由

你无法控制,生命里面会发生什么,但是你可以控制面对困难的时候,你的情绪和行动。残酷的世界可以拿走你很多东西,唯独有一样东西它永远拿不走,就是选择的自由。

古罗马哲学家 爱比克泰德,他在中年的时候,被剥夺了所有的财产,被逐出罗马。被流放的时候他是这么跟朋友说的,

如果我必须被流放,谁又能阻止我面带微笑,愉悦而且平静地离去呢?

你看,这就是在极端的环境下,那种选择的自由吧!

人生三阶段

其实我们的人生,从选择的维度来看,大概是可以分成三段的:

1.【依赖】(从我们出生到刚刚独立)

这个这段时间,我们能控制的事的确不多:

我们投胎出生在什么家庭,拿什么样的DNA,在什么样的城市,读什么样的学校,遇到什么样的老师,大部分的选择都是不由我们控制。

2.【独立】

我们已经开始独立,可以选的东西变得很多。

这个时候一旦跟身边的人比较,就有人会停留在对人生的第一个阶段抱怨里面出不来。

他们一直抱怨自己先天条件不够好,认为自己没得选择。

如何变穷?

查理芒格分享过一种保证可以让人顺利变成穷的方法,就是

这个人一定要坚信人生是不能输在起跑线上的,只要他出生的环境不够好,没考上好大学,没找到好工作,或者是考研考公失败,他这辈子就完了。

还有如果你 30 岁之前没有出息,你 30 岁之后,就别想有什么成就了。一旦你对这一点有一丝怀疑,你都不能够成功地成为一个穷人。

我自己在 28 岁的时候,曾经非常相信 30 岁是一道坎,比如说三十而立之类的东西,当时非常焦虑,觉得自己人生已经没有多少机会了;

后来不知不觉就 30 岁过去了,而且还过得非常不顺利。

你猜现在怎么样?

我发现其实人是很贱的,过了30 岁之后,我迅速就开始自我催眠了——我是个大器晚成的人,也许我要熬到 50 岁才能成功。

我还研究发现,你看凯撒 40 岁才崛起;任正非 40 多岁才创立华为;山德士 62 岁才创立肯德基,所以他们 30 岁的时候也没什么成就。

后来我一直熬到 36 岁之后,创业和投资才开始有点转机。

我后来反思,在 30 岁那个时间点,我可以选择自我催眠,继续折腾;也可以选择放弃幻想,寻求安稳。

这一种选择可能就是我人生的分水岭。

3.【稳定】

最典型的情况,就是找到一份稳定,甚至可以干一辈子的工作。

这样的工作有一个潜在的危险,有可能会陷入一个封闭系统,不断熵增。

实际上这种系统,在我们这代人是比较普遍的,比如说当家庭主妇,或者是进了国家机关之后,或者是当老师进了事业单位之后,比较容易进入这种状态。

但是这么多年,我也看到很多身边的朋友,反而利用这种稳定的环境,构建出了很好的耗散结构,所以,我觉得这一切还是看个人选择的结果。

这个世界充满了辩证法,那些热衷冒险的人就应该多一点追求务实和安稳的态度。

而那些拥有稳定生活的人,就应该多一点追求开放和冒险的精神,这样都会让自己的生活变得更好。

闻斯行诸,因材施教——《论语·先进》 如果属于临事退缩的,就要勇敢一点,做事不够勤奋的就要勤奋一点; 如果自己是过于果敢、轻率的就要退缩一点凡事再思而后行,如果自己是过于勤奋休息太少的就要注意休息好

不管怎么样我们要记住,再精致的封闭也会腐烂,再简陋的耗散也会鲜活

终身成长

这节课的最后,我们再跨界到心理学,心理学家卡罗尔·德韦克《终身成长》这本书推荐大家可以有空看一下,

里面画了一张图,对应着我们今天讲的耗散结构和封闭系统。

他发现人有两种反应模式, A 模式(固定型思维)和 B 模式(成长型思维)。

这两种模式,日积月累之后,就会使人生演变成完全不同的两种结构——耗散结构和封闭系统。

具体而言,它取决于我们对很多小事情的第一反应。

遇到挑战时,

A 模式倾向于逃避,觉得挑战很烦;

B 模式第一时间很兴奋,会试着迎接这个挑战。

遇到阻碍时

A 模式遇到阻碍的时候,会倾向于放弃;

B 模式如果这个阻碍实在太大,他也放弃,但是它有可能会第一时间多试着想想办法,看看怎么解决它。

对努力的看法

A 模式觉得那些努力工作人很傻很天真,都是因为被洗脑了,才会这么努力。

B 模式更加关注的是事情本身,他觉得很多的事情真的是只要花更多的精力,就能够做得更好。

面对批评的时候

A 模式会本能地反击;

B 模式当然也会有点不爽,但是他会觉得不妨听一听看看,是不是真的有道理。

看到身边的人的成功

A 模式第一反应是酸,觉得别人都是运气,或者觉得别人的成功可能就是一时得意,就等着看对方失败,看笑话;

B 模式更加关心,我能不能从他身上已经验证过的东西得到什么启发灵感。

日常生活中,大多数人不是纯A,也不是纯B。大家其实都会有这两种模式的融合,但是有的人 A 模式会多一点,有的人 B 模式会多。

随着时间的推移,两种模式都会形成自己不断增强的闭环,直到逐渐形成牢固的系统。整体来说,

A 模式,一直在拒绝信息和能量的输入;

B 模式,一直在强迫自己去接受更多的信息和能量。

所以,选择 B 模式的人通常总是伴随着更多的痛苦,毕竟趋利避害是人的本能,所以 A 模式更加符合人性。

而在我们的人生中,构建耗散结构的过程,就是要不断地承担更多的痛苦,花精力去做一些逆人性的事情。

所以,这件事情落到实际,就会充满困难,正所谓知易行难就是这个道理。

不过有的时候,我们觉得难,它并不是真的因为它很难,而是因为我们没有掌握正确的方法论。

正所谓天下难事,必作于易

我们要把一件非常困难的事情做成,其实通常要把它拆成很小一件又一件简单可执行的事情一步一步做。

我觉得在这方面,就没有一个学科比工程学更加擅长,它对于如何拆分和执行研究的非常透彻。

所以,如何做到知行合一,下节课,咱们就来讲讲工程学对我们的启发。

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