自发能量流：水自行均匀化，自我驱动的过程

能量流

我们现在可以来把神话宇宙同科学宇宙作一个对比。

在神话宇宙的情形中，那里有一个永恒的、不会衰败的天国，与之相对应的，是我们熟悉的这个变化着的世俗世界。正是这个变化的世界，我们会想到它终于会走向终结；也只是在谈到这个变化的世界时，“终结”或者“开端”这些词才有确切的含义。这个世界不仅是变化的，而且是暂时的。

在科学宇宙里，那里有一些永恒的、不会衰败的守恒性质，与之相对应的，是以这些守恒性质为背景，并按照它们的规则在演出的一个变化着的世界。只是在谈到这个变化的世界时，“终结”或者“开端”这些词才有确切含义。这个世界不仅是变化的，而且是暂时的。

但是，为什么科学宇宙会有一个变化的、暂时的方面呢？为什么宇宙的各个组成部分不是结合成一个超大质量的天体，具有确定的动量、角动量、电荷、能量等等，从而绝不发生变化呢？

换句话说，为什么宇宙是由无数大大小小的天体组成，它们不停地把这些守恒性质一点一点地从一个天体传递给另一个天体？⁽¹⁾

在所有这些变化背后隐藏着的那种驱动力显然就是能量。所以，从某种意义上说，能量是宇宙具有的最重要的性质，难怪能量守恒定律被一些人认为是所有自然定律中最基本的一条定律。

能量参与宇宙中的一切变化，从而驱动这些变化。能量一点一点地从一个地点流向另一地点，从一个物体流向另一个物体，而且每当发生这种流动时它都将改变其形式。于是我们不禁要问：是什么东西在以这种或那种方式驱动着能量？

显然，对这件事情的解释只能是散布在宇宙间的能量的那种非均匀分布：能量在某些地方是以比较集中的形式出现，而在另外一些地方却是以比较分散的形式出现。不管能量是一点一点地从一个地点流向另一个地点，从一个物体流向另一个物体，还是从一种形式转化为另一种形式，所有这一切之所以能够发生，全都是因为能量的这种非均匀分布具有一种均匀化的趋势。⁽²⁾正是能量流使得能量从非均匀分布变成均匀分布，而且可以用来做功，引起我们所看到的一切变化。我们把所有这些变化同我们所知道的这个宇宙联系起来，同生命和智慧联系起来。

更有意思的是，能量的这种均匀化是一种自发过程，并不需要别的什么东西去驱动导致均匀化的能量流。这种能量流是自行产生的，自我驱动的。

举一个简单的例子。假定你有两个大小相同的大容器，它们在靠近底部的地方用一根水平管子接通。不过，这根管子暂时被一个阀门隔断，所以两个容器实际上并不相通。现在你向其中一个容器注水，让它盛满为止；而另一个容器，只装很少一点水。

这时，装满水的那个容器里的水位，平均说来，当然要比差不多没有水的另一个容器里的水位高。把水抬高需要输进一定的能量去克服重力，所以，比起几乎是空容器中的水来，满容器中的水在重力场中具有较高的能量水准（能级）。沿袭历史上的叫法，我们说满容器中的水比几乎是空容器中的水有较多的“势能”。

现在设想连接两个容器的那根管子突然被打通。立即，水就会从包含有高势能的地点流向包含有低势能的地点。也就是说，水会自发地从满容器流向几乎没有水的容器。

我相信，任何人只要对我们这个世界有过一点经验，都不会怀疑这是一个自发的、不可避免的事件。如果管子是打开的，而水却没有从满容器流向空容器，我们立即就会断定，那根连接管子实际上并未打通，而仍然是隔断的。如果有哪怕一丁点水从几乎空的容器反过来流向满容器，我们便只好断定这些水是被抽上去的。

如果连接管肯定是打开的，而且可以确信没有抽水，那么，如果水没有从满容器流向空容器，或者更怪的是，水竟向相反方向流动，我们便不得不得出一个使人犯愁的结论：我们看到了一种只能说成是奇迹的现象。（不用说，谁也未曾看到过这样的奇迹，而且也从未有过这样的科学记载。⁽³⁾）

事实上，我们对水按照这种方式自发流动是那样深信不疑，以致我们十分自然地把水的自发流动用作判断时间流方向的一种标准。

譬如说，假定有人把上面两个容器中发生的事件拍摄成一部电影，然后放映给我们看。我们看到管子是打开的，可是水却没有流动。由此我们会立即下结论说，影片没有移动，我们看到的是一幅静止的“定格画面”。换句话说，在这个电影宇宙中，时间停住了。

再假定，我们在银幕上看到的情形是水从几乎空的容器流向满容器。这时我们会肯定地说，影片在倒放。在这个电影宇宙中，时间流的方向与真实生活中是相反的。（事实上，倒放电影的效果几乎总是十分滑稽，我们在银幕上可以看到真实生活中绝不会出现的一些可笑的场面。一位跳水运动员会双脚先升出水面，然后再稳稳当当地回落到跳台上，同时水花收回到水里；一只打碎了的玻璃杯的碎片会聚拢起来再拼合成一只完整的杯子；被风吹乱的头发会飘拂形成无懈可击的发式。只要看见过这样的倒放电影，我们就一定会意识到，真实生活中的许多事件原来竟是自发地进行的；而许多颠倒的事件如果真的发生的话，那肯定是出现了奇迹；同时，原来我们只凭经验便可以举一反三。）(www.xing528.com)

现在再回头谈两个装水的容器。不难证明，水从满容器流向几乎空的容器时的流速取决于两个容器间的能量分布之差。开始时，满容器中的水的势能显著大于几乎空的容器中的水的势能，所以水流动得比较快。

随着满容器中水面的下降和几乎空的容器中水面的上升，两个容器间的势能之差逐渐减小，从而能量分布变得不是那样不均匀，水流动的速度也随之逐渐变慢。当两个容器中的水面变得差不多相平时，水流会变得非常慢；而当两个水面变得完全相平时，由于两者之间没有能量差，水的流动便完全停止。

简单说来，自发变化是从一个能量作非均匀分布的状态改变为一个能量作均匀分布的状态，而这种变化的速率正比于非均匀化的程度。一旦能量的均匀分布达到，变化就会停止。

如果我们眼看着两个水平面高度一样的连通容器，在完全没有外来干扰的情况下，水竟然向某个方向流动起来，使得其中一个容器的水平面升高，而另一个容器的水平面下降，那么我们必定是看到了奇迹。

运动着的水可以做功。它可以用来推动水轮机，从而产生电流；它也可以只是冲走物体。当水流的速度减慢时，它做功的速率也会随之减慢。如果水流停止，那么做功也停止。

当水停止流动时，当两个容器中的水面高度一样时，一切过程也将停止。这时，容器中的水全部仍然在那里，其中包含的能量也全部仍然在那里。但是，全部水和全部能量已不再有非均匀分布。因为正是能量的非均匀分布在趋于均匀分布的过程中才产生出变化、运动和做功，所以，一旦均匀分布已经达到，此后就不再有变化，不再有运动，也不再做功。

更有甚者，自发变化还总是从非均匀分布到均匀分布，所以一旦均匀分布已经达到，就不会有任何自发过程能使均匀分布变回到非均匀分布。⁽⁴⁾

我们再举一个例子，这里涉及的不是水平面，而是热。有两个物体，其中单位体积内一个比另一个有更高的热能。这种单位体积内热能的高低，则用“温度”来量度。一个物体单位体积内热能越高，它的温度就越高，而且也越热。这样，我们就可以说一个物体热，而另一个物体冷；这相当于我们在前一个例子中一个容器装满水，而另一个容器几乎没有装水。

假定这两个物体构成一个封闭系统，热量无法从外部流入这两个物体，也无法从它们流出而进入外部。现在设想把这两个物体——一个热物体和一个冷物体——放在一起让它们彼此接触。

根据我们从真实生活得来的经验，我们会十分有把握地知道这时会发生什么事情。就像前一个例子中水会从满容器流向空容器一样，在这个例子中，热会从热物体流向冷物体。也像满容器会渐渐变得不满而空容器会渐渐变得越来越满那样，随着热流的继续，热物体会逐渐冷却，而冷物体会逐渐变得热起来。最后，这两个物体将会具有同样的温度，就好像两个容器到头来将会有同样的水平面一样。

热从热物体流向冷物体的速率也取决于能量分布的非均匀化程度。两个物体的温度差越大，热从热物体向冷物体流动也越迅速。随着热物体冷却和冷物体变得越来越热，它们的温度差减小，从而热流的速率也减小。最后，当两个物体具有同样温度时，热流完全停止，不向任何方向流动。

同样，热流的方向也是自发的。如果把两个处于不同温度的物体放在一起而不见有热流动，或者热反而从冷物体流向热物体，使得冷物体变得更冷，而热物体变得更热，只要我们能确信这真正是一个封闭系统，既没有煽凉风也没有加热，那么我们便只好说我们看到了一个奇迹。（同样，从未有人看到过这样的奇迹，也从未有科学家记录过。）

一旦两个物体已具有同样温度，同样再也不会出现任何热流去使得两个物体中一个变得越来越热，而另一个变得越来越冷。

这样的变化再一次表明同时间流是有联系的。如果我们也把两个物体拍成电影，放映时盯住同每一个物体连在一起的温度计，而看到一个温度总是较高而另一个温度总是较低，毫无变化，那么我们就敢肯定影片实际上没有移动。如果我们发现指示较高温度的那只温度计的水银柱在一直上升，而另一只温度计的水银柱在一直下降，我们就能断定影片正在倒放。

利用一个热物体和一个冷物体，我们可以设法让它们之间的热流做功。可以把从热物体流出的热用来使一种液体蒸发，再用膨胀的蒸气去推动一个活塞。此后，蒸气把它所包含的热量传递给冷物体，又重新变成液体。这个过程可以一次又一次地循环往复。

在做功和热量流动时，热物体把它的热量传递给蒸发的液体，而蒸气在冷凝时，把它的热量传递给冷物体。这样一来，热物体冷却，而冷物体变得越来越热。随着两个物体的温度彼此趋于接近，热流的速率减小，从而做功的数量也减少。当两个物体达到同一温度时，此后就没有任何热流，也完全不做功。这时两个物体仍然在那里，热能也仍然在那里，但是不再有热量的非均匀分布，因此也就不再有任何变化、任何运动和做任何功。

在这个例子中，自发变化同样是从能量的非均匀分布到均匀分布，从有变化、运动和做功的能力到没有这种能力。同样，一旦这种能力消失，它就不会重新出现。