【所長林超】學科01：熵與熱力學重要模型

來源《林超：給年輕人的跨學科工具箱》

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今天，我們來講講熵和熱力學第二定律。

愛因斯坦說，你可以不懂相對論，可以不懂牛頓力學，但是你不能不懂熱力學第二定律和熵，因為它真的對指導我們的生活有着巨大的價值。

了解熵的原理，其實可以為我們生活中很多的問題提供思考方向，比如說

• 為什麼挺直腰就可以集中精神？

• 為什麼運動很重要？

• 為什麼好音樂能改善我們的生活？

• 為什麼人不能太安逸？

• 應該選擇什麼樣的公司？

• 應該選擇什麼樣的城市？

熵大家都可能聽說過，但是真正想要說清楚它是什麼，就是感覺雲山霧繞。

先從最簡單的地方開始。假設有兩個容器一個容器裡面裝了熱水，另一個容器裡裝了冰塊。

根據中學物理學常識，哪一個容器裡面分子更活躍？

很明顯是熱水的分子更活躍，因為熱水的分子排列更松散，而且動能更大。

而冰塊這邊的分子排列很緊密，而且動能更弱。

接下來我們把熱水和冰塊的分子排列情況做一個簡化，簡化成隻有四個分子。

我們來數一下這些分子可能存在的排列方式：

冰塊分子全部挨在一起，所以隻能有1種排列方式；

而熱水這邊，分子是松散排布的分子，可能的狀态有 N 種。

熵它就是把 1 和 N 這種表明可能存在狀态的數字，取一個自然對數，然後再乘以一個數算出來。

S=k·lnW

我們可以直接忽略掉 K 和自然對數，用一個更簡單的理解方式，熵的本質就是一個我們設想出來的數值，這個數值跟物體或者系統可能的狀态數成正比。

說到這裡，你已經從數學上理解了熵。

不過這還不夠，因為這個公式太抽象了，它沒法拿來應用到我們的生活中。

熵是代表了混亂，但是從這個公式裡面，我們不太容易看出來。

假設有兩種在房間裡面放家具的方式：

紅色沒有規則，随便放；

藍色按照一定的規則來放，比如台燈放在桌子上面，床和床頭櫃要放在一起。因為條件更苛刻，狀态數更少，熵更小，更有序。

而很明顯紅色這邊更亂，狀态數更多，熵更大，更無序。

左邊金字塔形，右邊随便亂放。

左邊1種狀态，右邊N種狀态。

至此你已經對熵有了初步理解。

狀态數有另一種說法——可能性

你看，把它想象成是從高處随機把一堆磚頭丢到地上，更有可能會出現哪一種情況？

肯定是右邊，如果出現左邊（金字塔）這種情況，真是奇迹了。

所以其實狀态數越多，它也代表了更高的可能性，而狀态數越少，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亂。

理解了這層對應關系。對于我們的生活來說，它可不是什麼好消息，因為

• 如果随波逐流，一個普通人的人生更大可能是混亂的，而不是有序的

• 如果因為催婚而結婚，那麼這段婚姻更可能是不幸的，而不是幸福的

• 如果你想做出點與衆不同的事情，更可能會遭遇失敗，而不是成功

在這個世界上，混亂才是常态，而有序是需要刻意營造的。

理解這一點，對于年輕人來講真的很重要。

熵這個概念，它也不是隻能拿來解釋那些宏大的問題，比方說，

因為挺直腰就對應了更少的可能的狀态數，所以它代表了更小的熵，也代表了更有序的狀态；

放松的時候，狀态數據很多了，你可以站着、躺着、坐着、斜靠，葛優躺都可以。狀态數多，熵就增大了。熵增大了，我們也就更加容易走神了。

前面我們了解了熵的概念，我們還需要了解熵和時間的關系。

熵增定律告訴我們，在封閉系統中，熵會随着時間的推移而增加。

比如一種年久失修的房子會破敗；一輛在路邊停留很久的單車會生鏽。

為什麼這個過程它不能反過來，一個生鏽的自行車放久了，為什麼不會自動變得嶄新？

要理解這個問題，我們需要了解一個概念，就是封閉系統。

在物理學上，封閉系統有兩個更加精确地定義，孤立系統與封閉系統。

• 孤立系統：跟外界沒有能量和物質交換的系統。

• 封閉系統：沒有物質交換但有能量交換的系統。

我們先簡單把這兩個概念統稱為廣義的封閉系統，一個與外界隔絕的不交流的系統。

可以用一個非常簡單的模型來理解封閉系統。

一個容器裡面有空氣分子，分子隻能分成左邊和右邊兩邊。

最開始的時候，假設空氣分子全部集中在左邊，那麼随着時間的推移，分子會怎麼活動？

分子會逐漸平均化，左邊的分子會逐漸移到右邊來，最終它們會形成這樣一個狀态：

關鍵點已經來了，這個時候它們的熵是變大了，還是變小了？

我們來回憶一下熵的定義，因為熵跟狀态數成正比，後一種情況，狀态數明顯是更多的，為什麼？

你想象一下，同樣多的分子，在兩倍大的空間裡，它們能夠随機分布的位置就更多了，能夠産生可能的狀态數就更多了，而狀态數更多，熵就更大了。

你看，在剛才封閉系統裡，随着時間推移，系統就會變得越來越無序，越來越混亂了。

但這個跟我們觀察人類社會的直觀感受不一樣。

因為我們發現，人類社會是在不斷進化的，科技文明在不斷發展，我們并沒有變得更加野蠻和混亂，這個怎麼解釋？

一定存在某種特定的系統，它是可以讓熵越來越小的。

比如初始狀況，如果是這樣子的，随着時間的推移會反過來，這些分子會全部集中跑到左邊去，而不是保持平均分布。

怎麼樣才能做到這一點？

這就要提到麥克斯韋的思想實驗。

麥克斯韋這個人大家可能不太熟悉，但是麥克斯韋方程相信大家都聽說過。

實際上，麥克斯韋是十九世紀最重要的物理學家之一，他奠定了整個電磁學的基礎。

當時他做了這樣一個思想實驗，在封閉系統裡面，放進去這麼一個小人，這個小人隻做一件事情，就是判斷，判斷什麼？

如果分子是從左邊往右邊走，就不給通過；

如果是從右邊往左邊走，就給通過，就這麼簡單。

隻要這個小人一直在工作，随着時間的推移，分子的自由移動，它會慢慢的全部集中到一邊去，就會出現這樣的局面：

麥克斯韋妖（如果分子從左往右就不通過，從右往左就通過）

右邊的分子全部跑到左邊來，這不就是熵減了

所以這個簡單的思想實驗，實際上在十九世紀時造成了巨大的轟動，它蘊含着一個深刻的哲理：

到底這個小人，他做了什麼事情，可以讓一個系統自動自發的變得更加有序?

如果解答了這個問題，我們就找到讓世界變得越來越好的密碼。

所以我們仔細看就發現，這個小人他一直在做兩件事情，就是正确的感知和正确的選擇。

隻要他能夠不斷地做好這兩件事情，随着時間的推移，整個系統是變得越來越有序。

它背後蘊含的哲理就是，感知和選擇，是可以使事物變得更加有序的。

我想這個對大家是很有啟發的，比如我們正常人的大腦，在日常生活中是混亂無序的。

美國國家科學基金會曾經發表過一篇文章，發現普通人每天腦中會閃過1.2 萬- 6 萬想法，這就很像我們上面講的分子随機運動的容器。

如果套用剛才我們說過的思想實驗，假設我們如果能夠在大腦裡面放一個小人，他每天負責判斷我們的念頭是什麼，我們應不應該想它，隻要我們經常這麼做，就可以使大腦變得越來越有序起來。

這也就是論語中“吾日三省吾身”的道理。

所以你看，了解的熵增定律，也可以讓我們知道如何讓我們每天大腦更加有序。

讓我們更進一步，再觀察一下這個小人做的事情，感知和選擇是需要能量和信息的。

你看，他去感知這個分子的運動狀态，還要去阻擋它，這兩件事情都需要能量的，而他要去判斷哪個方向可以通過，是需要邏輯的，這個就需要信息輸入了。

所以放入了這個小人之後，整個系統其實是從一個封閉系統變成了一個開放系統。

盡管表面上看，它還是與外界隔絕的，但實際上我們給這個系統注入了什麼？

能量和信息。

所以，這裡面我們又得到一個新的東西：

這個世界上有一種系統，它能夠不斷地從外界輸入能量、物質和信息，自己可以不斷的排出熵。

這個東西就叫做耗散結構。

最典型的耗散結構就是河流，你看河流要從上遊注入水分子，而且水分子從高處往低走，還會帶來能量。

所以河流這個系統，它是永遠不會腐敗的，一直保持着動能和活力。

問渠那得清如許，為有源頭活水來——朱熹《觀書有感》

深淘灘，低作堰——都江堰 李冰父子的治水名言

而與它相對應的，比方說，一個年久失修的遊泳池，池水就會腐敗，肮髒發臭，因為它是一個封閉系統。

流水不腐就是這麼一個原理，因為流水就是一個耗散結構。

流水不腐，戶樞不蠹——《呂氏春秋·盡數》

耗散結構有一個很有趣的特點，比方說河流，你每一天看到它都是新的，因為它的水分子都是不一樣的。

但有趣的是，它千百年來又都是同一條河流，這是個哲學命題。

釋迦牟尼佛在 2000 多年前，就跟波斯匿王探讨過這個問題。

所以，耗散結構這種神奇的東西，古往今來，其實有很多的智者都思考過。

耗散結構為什麼神奇？

因為它是一個動态平衡體，而不是一個靜态平衡體。

動态的意思就是它是一直在變的；

但平衡的意思就是它一直保持着一個穩定形态。

了解耗散結構，我們也可以順便解答下面兩個問題：

城市和公司它其實也是耗散結構，所以我們要選擇那種效率更高、運轉更良好的耗散結構。

我們應該加入那種能夠不斷從外界吸取能量和信息，不斷做出成績，讓自己變得越來越有序的城市和公司。

反過來，不要選擇盡管現在很有成就，但是已經陷入了自我封閉，自我感覺很良好，拒絕跟外界進行信息和能量交換的城市和公司。

因為如果你進入這樣的封閉系統，最大的問題就是，不管現在它看起來有多好，它能給你多安逸的生活，甚至多高的工資，但是随着時間的推移，它一定變得越來越糟糕，這是熵增定律決定的。

關于選擇職業公司或者城市的話題，我們在系列課程的後半段，還會有專門的章節來講解，所以今天就不展開了。

我們人體也是個耗散結構。

你看生物學上，我們學過新陳代謝，人體的運動方式就是不斷通過注入能量、信息和物質，讓自己不斷地從身體裡面排出熵。

我們人是每天都在變化的：

大腦裡面的海馬體，每天都會新生出 700 多個神經元；

我們的皮膚每 28 天就會全部更新一次。

紅血球大概 4 個月就會更新一次；

肝髒 5 個月會全部更新一次；

而我們的骨骼大約 7 年時間就會更新一次。

所以，7 真的是個很神奇的數字。基本上，人體每7年大部分的細胞都會全部換過一遍。

那麼既然你身上大部分的細胞都換掉了，那麼你還是那個你嗎？

所以從細胞的層面上來看，其實你已經不是以前那個你。

所以了解耗散結構原理，我們就能從物理學的層面發現，人真的是可以徹底重塑自己。

人重塑自己需要多長時間？

大概是4-7年，所以不管我們現在對自己有多不滿意，脫胎換骨這件事情是真的有可能發生的。

隻要給我們7年時間，我們真的是能夠從生物學的層面完全脫胎換骨，永遠不要給自己判死刑。

那我們來研究一下，如何讓人體這個耗散結構運作良好？

人體耗散結構仔細拆分一下

輸入端：求知、食物、娛樂、環境；

環境指的是家庭、朋友圈、工作氛圍、城市等，環境會綜合影響信息和能量的輸入；

輸出端：排洩物、負能量、負信息，這些都是熵。

• 排洩物：屎尿屁（畢導的專業領域）

• 負信息：如果正信息是消除世界的不确定性，那麼負信息是增加了世界的不确定性，比如撒謊、謠言、胡思亂想，因為它們會幹擾我們的生活，增加世界的無序性。

這個主流程上下連通，形成了外循環系統。

睡眠、運動，思考，日常活動，這些因素都會不斷循環，它會産生一些成果，再反過來作用與輸入端的一些要素。

比如說求知-信息，食物-物質，娛樂-能量（比如聽好音樂、唱好内容、從事興趣和愛好）

睡眠、運動、思考和活動，我們在精力管理節課會更加詳細講。

看完圖，給我們什麼啟發？

我們應該如何運轉好自己這個複雜的耗散結構？

雖然它很複雜，但是策略并不複雜，就是

管吃不管拉，管睡不管醒；因上努力，果上随緣。

什麼意思？

如果你睡得早，你不可能起得晚；

如果你因都是對的，那麼得到好的結果，就是時間的問題。

這張圖裡面，我們應該把焦點全部放在藍色的部分；

藍色部分（求知、食物、娛樂、環境、睡眠、運動、思考、活動）

而對于紅色部分的東西，我們應該采取什麼态度？

紅色部分（排洩物、負能量、負信息）

我們應該接納它們的存在。

如果我們經常忍不住抱怨、胡思亂想、拖延症，其實是因為你身體裡面積累的熵太多了，它們是要被排洩出來。

我們最容易犯的錯誤，就是無法接納自己紅色的部分，産生了大量的自責，而自責很有可能會阻止你繼續排出熵，最終導緻另外一種結果就是身體的病變。

反過來，我們應該從源頭去減少身體裡面積累的熵，而不是産生了很多熵，而去壓抑排解它們的過程。

這個原理當然也會适用于 如果我們取得的負成果，我們眼前不能光盯着負成果，去後悔、去懊惱，

而是應該釋懷和接納，盯着我們藍色的這些模塊去下功夫。

藍色部分（求知、食物、娛樂、環境、睡眠、運動、思考、活動）

如果錯過了太陽時你流了淚，那麼你也要錯過群星了。——泰戈爾 《飛鳥集》

喬哈裡視窗，人生不是得到就是學到

比如說

我們應該采取什麼樣的活動？

我們的睡眠、運動、思考做的夠不夠好？

我們的求知、娛樂方式是不是使我們的身體減少了熵？

這些才是使我們産生正成果的概率增加的核心原因。

所以，了解耗散結構原理之後，你就會發現那些雞湯裡面教大家不要負面情緒，為什麼沒有用？為什麼你會覺得很空？

因為它們抓做了重點。要知道依靠決心和自責是過不好這一生，我們需要刻意改變的東西，就是耗散結構的輸入；

而對于已經産生的壞結果和壞行為，我們應該盡量接納。

要明白，會抱怨、會撒謊，會懶惰，會拖延，這些其實都是系統的熵往外排出的結果；

關鍵在于我們需要改善系統的輸入，讓我們身體減少熵。

到了這裡，我們再問一個更殘酷的問題，如果我們已經被困在一個封閉系統裡面，怎麼辦？

比如，我們不喜歡自己的城市，甚至有一份不滿意的工作，但是一時半會也離開不了。

我們被限定在一個相對封閉的系統裡面，我們還怎麼過好接下來的日子？

你看在一個封閉系統裡面，你改變不了這個封閉系統本身的格局，但是你依然可以做好感知和選擇這兩件事情，隻要做好這兩件事情，你就可以使得整體的熵逐漸減少。

我們來舉一個非常非常極端的例子——納粹集中營，這應該算是一個極度糟糕的封閉系統，現代監獄和集中營相比，簡直就是天堂了。

著名的心理學家維克多·弗蘭克，他是《活出生命的意義》這本書的作者。

這本書應該是美國 50 年代以來最有影響力的書之一了，Viktor在二戰時就被關進了奧斯維辛集中營，一直關了三年，

當時這個集中營中，每 28 個人隻有 1 個人能活下來。Viktor的父親、母親、哥哥、妻子，身邊幾乎所有的家人都死在集中營裡，而身邊沒有死的很多人都精神失常了。

在這樣一個神經病的環境裡面，他卻發現了一種方法，可以一直保持頭腦清醒和身體健康，這個東西是什麼？

他在書裡面寫寫道，這個東西就是選擇的自由。

你無法控制，生命裡面會發生什麼，但是你可以控制面對困難的時候，你的情緒和行動。殘酷的世界可以拿走你很多東西，唯獨有一樣東西它永遠拿不走，就是選擇的自由。

古羅馬哲學家 愛比克泰德，他在中年的時候，被剝奪了所有的财産，被逐出羅馬。被流放的時候他是這麼跟朋友說的，

如果我必須被流放，誰又能阻止我面帶微笑，愉悅而且平靜地離去呢？

你看，這就是在極端的環境下，那種選擇的自由吧！

其實我們的人生，從選擇的維度來看，大概是可以分成三段的：

1.【依賴】（從我們出生到剛剛獨立）

這個這段時間，我們能控制的事的确不多：

我們投胎出生在什麼家庭，拿什麼樣的DNA，在什麼樣的城市，讀什麼樣的學校，遇到什麼樣的老師，大部分的選擇都是不由我們控制。

2.【獨立】

我們已經開始獨立，可以選的東西變得很多。

這個時候一旦跟身邊的人比較，就有人會停留在對人生的第一個階段抱怨裡面出不來。

他們一直抱怨自己先天條件不夠好，認為自己沒得選擇。

查理芒格分享過一種保證可以讓人順利變成窮的方法，就是

這個人一定要堅信人生是不能輸在起跑線上的，隻要他出生的環境不夠好，沒考上好大學，沒找到好工作，或者是考研考公失敗，他這輩子就完了。

還有如果你 30 歲之前沒有出息，你 30 歲之後，就别想有什麼成就了。一旦你對這一點有一絲懷疑，你都不能夠成功地成為一個窮人。

我自己在 28 歲的時候，曾經非常相信 30 歲是一道坎，比如說三十而立之類的東西，當時非常焦慮，覺得自己人生已經沒有多少機會了；

後來不知不覺就 30 歲過去了，而且還過得非常不順利。

你猜現在怎麼樣？

我發現其實人是很賤的，過了30 歲之後，我迅速就開始自我催眠了——我是個大器晚成的人，也許我要熬到 50 歲才能成功。

我還研究發現，你看凱撒 40 歲才崛起；任正非 40 多歲才創立華為；山德士 62 歲才創立肯德基，所以他們 30 歲的時候也沒什麼成就。

後來我一直熬到 36 歲之後，創業和投資才開始有點轉機。

我後來反思，在 30 歲那個時間點，我可以選擇自我催眠，繼續折騰；也可以選擇放棄幻想，尋求安穩。

這一種選擇可能就是我人生的分水嶺。

3.【穩定】

最典型的情況，就是找到一份穩定，甚至可以幹一輩子的工作。

這樣的工作有一個潛在的危險，有可能會陷入一個封閉系統，不斷熵增。

實際上這種系統，在我們這代人是比較普遍的，比如說當家庭主婦，或者是進了國家機關之後，或者是當老師進了事業單位之後，比較容易進入這種狀态。

但是這麼多年，我也看到很多身邊的朋友，反而利用這種穩定的環境，構建出了很好的耗散結構，所以，我覺得這一切還是看個人選擇的結果。

這個世界充滿了辯證法，那些熱衷冒險的人就應該多一點追求務實和安穩的态度。

而那些擁有穩定生活的人，就應該多一點追求開放和冒險的精神，這樣都會讓自己的生活變得更好。

聞斯行諸，因材施教——《論語·先進》

如果屬于臨事退縮的，就要勇敢一點，做事不夠勤奮的就要勤奮一點；

如果自己是過于果敢、輕率的就要退縮一點凡事再思而後行，如果自己是過于勤奮休息太少的就要注意休息好

不管怎麼樣我們要記住，再精緻的封閉也會腐爛，再簡陋的耗散也會鮮活。

這節課的最後，我們再跨界到心理學，心理學家卡羅爾·德韋克《終身成長》這本書推薦大家可以有空看一下，

裡面畫了一張圖，對應着我們今天講的耗散結構和封閉系統。

他發現人有兩種反應模式， A 模式（固定型思維）和 B 模式（成長型思維）。

這兩種模式，日積月累之後，就會使人生演變成完全不同的兩種結構——耗散結構和封閉系統。

具體而言，它取決于我們對很多小事情的第一反應。

遇到挑戰時，

A 模式傾向于逃避，覺得挑戰很煩；

B 模式第一時間很興奮，會試着迎接這個挑戰。

遇到阻礙時

A 模式遇到阻礙的時候，會傾向于放棄；

B 模式如果這個阻礙實在太大，他也放棄，但是它有可能會第一時間多試着想想辦法，看看怎麼解決它。

對努力的看法

A 模式覺得那些努力工作人很傻很天真，都是因為被洗腦了，才會這麼努力。

B 模式更加關注的是事情本身，他覺得很多的事情真的是隻要花更多的精力，就能夠做得更好。

面對批評的時候

A 模式會本能地反擊；

B 模式當然也會有點不爽，但是他會覺得不妨聽一聽看看，是不是真的有道理。

看到身邊的人的成功

A 模式第一反應是酸，覺得别人都是運氣，或者覺得别人的成功可能就是一時得意，就等着看對方失敗，看笑話；

B 模式更加關心，我能不能從他身上已經驗證過的東西得到什麼啟發靈感。

日常生活中，大多數人不是純A，也不是純B。大家其實都會有這兩種模式的融合，但是有的人 A 模式會多一點，有的人 B 模式會多。

随着時間的推移，兩種模式都會形成自己不斷增強的閉環，直到逐漸形成牢固的系統。整體來說，

A 模式，一直在拒絕信息和能量的輸入；

B 模式，一直在強迫自己去接受更多的信息和能量。

所以，選擇 B 模式的人通常總是伴随着更多的痛苦，畢竟趨利避害是人的本能，所以 A 模式更加符合人性。

而在我們的人生中，構建耗散結構的過程，就是要不斷地承擔更多的痛苦，花精力去做一些逆人性的事情。

所以，這件事情落到實際，就會充滿困難，正所謂知易行難就是這個道理。

不過有的時候，我們覺得難，它并不是真的因為它很難，而是因為我們沒有掌握正确的方法論。

正所謂天下難事，必作于易。

我們要把一件非常困難的事情做成，其實通常要把它拆成很小的一件又一件簡單可執行的事情一步一步做。

我覺得在這方面，就沒有一個學科比工程學更加擅長，它對于如何拆分和執行研究的非常透徹。

所以，如何做到知行合一，下節課，咱們就來講講工程學對我們的啟發。

下一期筆記 學科02：系統論重要模型

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