科学第一法则----熵

发布时间：2023-04-13 09:17:01 所属栏目：外闻来源：

导读：熵理论，对于整个科学来说是第一法则。”

——爱因斯坦

这是科幻小说《三体》中，关于超高级文明生物“歌者”的一段描述。“歌者”将人类以及三体文明等其他文明称为&ldqu

熵理论，对于整个科学来说是第一法则。”

——爱因斯坦

这是科幻小说《三体》中，关于超高级文明生物“歌者”的一段描述。“歌者”将人类以及三体文明等其他文明称为“低熵体”，生命若要维持，就要想方设法将自己的熵降低，走向有序。

这个设定的确有根据，薛定谔振聋发聩的论述——“生命以负熵为生，人活着的意义，就是不断对抗熵增的过程”，便说明了这个道理。

而诺贝尔物理学奖获得者彭罗斯曾在名为《The Road to Reality》的书中提出这样的观点：“太阳给地球提供‘低的熵’，人类生活以及大自然消耗低熵能量后再回馈给太阳‘高的熵’。”既然熵总是趋于最大值，那么人类的生老病死就是一个自然规律，是走向熵增的道路。

“熵”，已然横跨多个领域，成为科普作品、文艺作品甚至是心灵鸡汤的高频词。在科学研究中，起源于物理学的“熵”在许多领域都有着广泛的应用。今天，我们这篇主要从宇宙微观科学的层次聊聊基于能量守恒定律的理论和量子物理学的那些事儿。

1 什么是熵？

1865年，德国物理学家克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。我们可以理解为，熵是表示物质系统状态的一种度量：熵越大，系统越无序；熵越小，系统越有序。

随后，熵被用来进行热力学和统计学意义上的解释。1948年，贝尔实验室的香农提出了“信息熵”，解决了对信息的量化度量问题。香农认为，信息是人们对事物了解的不确定性的消除或减少，他把通讯过程中信源讯号的平均信息量称为信息熵（现在也被称为香农熵）。

拿扑克牌来说，一副扑克牌有五十四张牌，就具有五十四张牌的信息，抽牌过程就是获取信息的过程。最开始，我们对下一张牌的信息一无所知，信息为零，信息熵最大。随着不断抽牌，信息熵逐渐减小。最后只剩一张牌的时候，看看手里的五十三张牌，就可以确定最后一张牌的信息了，此时信息为零。这就是典型的信息熵在信息传递和信息转移过程中的非线性变化形式。

2 最大熵原理

香农提出的信息熵的概念能很好地量化度量信息，却忽略了一个问题：从理论上讲，对于给定的随机变量，如何获取最为合适的一个分布呢?美国物理学家杰恩斯提出的最大熵原理回答了这个问题。

1957年，杰恩斯根据最大熵原理推导出的概率分布重新表述了统计力学。这种理论的重新表述简化了数学，允许理论的基本扩展，并将数学统计力学模型重新解释为基于不完整可能性信息的计算机推理。

3 信息熵和核物理学

我们可以将核子和原子核视为通过相互作用紧密结合起来的多体复杂系统。利用香农信息熵和最大熵原理，科学家们也可以探索在费米尺度下多体系统中的特殊结构和行为。我们以时间为序举几个例子，介绍熵在核物理研究中的一些应用。

1995至1996年间，曹臻和华家照教授利用信息熵研究了分支过程中粒子的产生。他们研究了量子电动力学和量子色动力学过程的信息熵。这里，和信息熵密切相关的一个物理量是Koba-Nielsen-Olesen (KNO)标度律，它在更好地理解这次强子对撞机的行为性质方面仍然发挥了令人印象深刻的重要作用。

2015年，中科院近代物理所研究团队把最大熵原理应用到强子结构研究中，把熵和强子内部的夸克动量分布联系起来，获得了质子、π和K介子内部价夸克在低能下的动量分布。最大熵方法作为一种新的方法，可以比较简洁地给出结果，并且和我们的实验系统的测量结果符合得很好。

4 质子世界中的纠缠熵

热力学上描述的是“粗粒化”带来的“无知”，也就是只假设知道一些宏观的热力学量，而对微观状态一无所知。在量子层面，信息就不能用经典的热力学了，很显然，信息载体变成了一个又一个的概率，变得十分抽象。将经典的信息熵推广到量子层面，是冯·诺依曼的经典工作之一，被称为纠缠熵（也被称为冯·诺伊曼熵）。

假如你把一副手套左右各一只分别放进两个箱子里，跋山涉水将其中一个放到海王星上，另一个就放家里。你让你的好朋友去海王星打开那个箱子，他打开的一瞬间就知道你家里那只是左手的还是右手的。这个信息量是一瞬间的传递，多远都可以。这明显超光速了啊！

爱因斯坦联合他的两个小伙伴波多尔斯基和罗森写了文章坚决抵制这个“幽灵”，后世称作“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”。不过，此后很多实验都验证了超距作用的存在（2022年颁发的诺贝尔物理学奖与此相关）。这种超距作用的实质是量子纠缠，可由量子纠缠熵来描述。

（编辑：汽车网）

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