Veritasium 從一個看似簡單的問題開始:地球究竟從太陽得到了什麼?地球長期接收的能量,大致也會以熱輻射送回太空,否則溫度就會持續升高。影片要找的因此不是消失或留在地球上的那一份能量,而是太陽送來的集中能量如何在地球上流動、驅動各種變化,最後再以更分散的形式離開。
影片接著回到 Sadi Carnot 對熱機效率的研究。理想熱機不可能把吸收的熱全部變成功,真實機器還會受到摩擦與散熱影響。能量總量沒有改變,但一旦散到汽缸壁、飛輪軸與環境裡,就變得更難拿來做功。Rudolf Clausius 後來用「熵」描述這個變化;相較於常見的「混亂程度」,影片選擇把熵直覺地講成能量逐漸散開。
來源:影片畫面擷取自 YouTube/Veritasium(約 10:20)
這種方向性不是單靠一句「熱只會從熱處流向冷處」帶過。影片用兩組粒子分配能量的模型說明:微觀上,能量重新集中並非完全不可能,但能量平均散開的排列方式遠多於重新集中。巨觀世界之所以看起來只往一個方向走,不是逆過程絕對違法,而是分散狀態的可能組合多得壓倒性。冷氣看似把熱從冷處搬到熱處,也只是局部降低熵;發電與運轉設備會在別處造成更大的熵增。
這也回到地球從太陽獲得了什麼。影片指出,地球接收少量能量較高的光子,再以更多能量較低的光子向外輻射;植物生長、天氣變化與人的活動,都發生在這段能量逐漸散開的過程中。影片也介紹 Jeremy England 的推測:持續接受集中能量的物質,可能逐漸形成更擅長耗散能量的結構,但這仍是用來研究生命起源的假說,不是已經確立的完整答案。
來源:影片畫面擷取自 YouTube/Veritasium(約 25:20)
最後,影片把尺度一路拉到早期宇宙、重力與黑洞。低熵的早期狀態讓恆星、行星、星系與生命得以形成;熵持續上升,則替過去與未來劃出不同方向。當能量在極遙遠的未來徹底散開,宇宙可能進入熱寂,連時間的方向也不再容易辨認。不過影片沒有停在這個陰暗結論:牛奶倒進茶裡之前與完全混合之後都很單調,真正複雜的圖樣短暫出現在混合途中。低熵與高熵的兩端都很單調,真正複雜的圖樣短暫出現在混合途中。
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