4 “神秘的”熵
上面这几个计算概率的例子都和实际生活密切相关。我们从中学到,根据概率预测事件结果,这种方法在样本数量较少时常常令人失望,但试验次数越多,它就越准确。所以概率定律特别适合用来描述数量近乎无限的原子和分子,要知道,我们能够方便操控的最小的物体都包含着亿万个这样的粒子。因此,虽然统计学定律在描述醉鬼走路的时候只能给出一个近似的结果,因为案例中的醉鬼只有半打,他们每个人可能只会转二三十次弯;但如果将同样的定律应用于每秒钟都会碰撞几十亿次的几十亿个染色分子,我们却能得出最精准的物理学扩散定律。我们还可以说,起初只溶解于试管内一半水中的染料之所以倾向于均匀扩散到所有溶液中,是因为相对于初始状态而言,这样的均匀分布出现的概率更大。
正是出于同样的原因,此时此刻,就在你坐着读书的这间屋子里,从墙壁到墙壁、从地面到天花板都充斥着均匀的空气;你连想都不会去想,房间中的空气有可能突然自发聚集到某个遥远的角落里,让坐在椅子上的你窒息而死。但是从物理学的角度来说,这么可怕的事情并不是绝不可能发生,只是概率很低。
要讲清楚这个问题,我们不妨假设一间屋子被一道虚拟的垂直面分成了相等的两半,然后考虑一下,空气分子在这两个部分中最可能的分布是什么样的。当然,这个问题和我们上一节讨论过的扔硬币问题完全一样。如果我们挑出一个单独的分子,那么它出现在房间左半部分和右半部分的概率完全相同,就像你扔硬币的时候,正反面出现的概率也完全一样。
第二个、第三个以及其他所有分子也同样遵循概率相等的分布规则,每个分子出现的位置都和其他分子全然无关。[94]因此,空气分子在房间左半部分和右半部分的分布规律和多次扔硬币时正反面的分布规律完全相同。正如你在图84中看到的,在这种情况下,最可能出现的结果是“五五开”。从这幅图中我们还能看到,扔硬币的次数越多(空气分子数量越多),五五开的概率就越大;只要试验次数积累得够多,结果几乎一定是五五开。普通大小的房间中大约有1027个分子,[95]这些分子同时聚集在房间右半部分的概率是:
也就是说, 。
从另一方面来说,由于空气分子的运动速度大约是每秒0.5千米,它只需要0.01秒就能从房间这头跑到那头,所以这些分子在房间中的分布情况每秒都会变化100次。[96]因此,要让房间中的所有空气聚集到一边,我们需要等待10299999999999999999999999998秒,但现在宇宙的总寿命只有1017秒!所以你大可以放宽心继续读书,不必担心突然被憋死。
我们再讲一个例子,你可以想想放在桌上的一杯水。我们知道,由于无规律热运动的存在,水分子时时刻刻都在以极高的速度朝任意方向运动,但内聚力将它们凝聚在一起,不让它们四下飞散。
由于每个独立分子的运动方向都完全遵循概率分布,我们或许可以想想,在任意给定时刻,杯子里一半的水分子(比如说上半部分)全都向上运动,而杯子下半部分的所有分子全都向下运动,这样的情况出现的概率有多大。[97]在这种情况下,作用于上下两半分子水平分界面上的内聚力无法再阻止它们“分开的共同心愿”,我们将观察到一幕罕见的物理现象:杯子里一半的水突然像子弹一样自发地喷向天花板!

