【所长林超】学科01：熵与热力学重要模型

来源《林超：给年轻人的跨学科工具箱》

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今天，我们来讲讲熵和热力学第二定律。

爱因斯坦说，你可以不懂相对论，可以不懂牛顿力学，但是你不能不懂热力学第二定律和熵，因为它真的对指导我们的生活有着巨大的价值。

了解熵的原理，其实可以为我们生活中很多的问题提供思考方向，比如说

• 为什么挺直腰就可以集中精神？

• 为什么运动很重要？

• 为什么好音乐能改善我们的生活？

• 为什么人不能太安逸？

• 应该选择什么样的公司？

• 应该选择什么样的城市？

熵大家都可能听说过，但是真正想要说清楚它是什么，就是感觉云山雾绕。

先从最简单的地方开始。假设有两个容器一个容器里面装了热水，另一个容器里装了冰块。

根据中学物理学常识，哪一个容器里面分子更活跃？

很明显是热水的分子更活跃，因为热水的分子排列更松散，而且动能更大。

而冰块这边的分子排列很紧密，而且动能更弱。

接下来我们把热水和冰块的分子排列情况做一个简化，简化成只有四个分子。

我们来数一下这些分子可能存在的排列方式：

冰块分子全部挨在一起，所以只能有1种排列方式；

而热水这边，分子是松散排布的分子，可能的状态有 N 种。

熵它就是把 1 和 N 这种表明可能存在状态的数字，取一个自然对数，然后再乘以一个数算出来。

S=k·lnW

我们可以直接忽略掉 K 和自然对数，用一个更简单的理解方式，熵的本质就是一个我们设想出来的数值，这个数值跟物体或者系统可能的状态数成正比。

说到这里，你已经从数学上理解了熵。

不过这还不够，因为这个公式太抽象了，它没法拿来应用到我们的生活中。

熵是代表了混乱，但是从这个公式里面，我们不太容易看出来。

假设有两种在房间里面放家具的方式：

红色没有规则，随便放；

蓝色按照一定的规则来放，比如台灯放在桌子上面，床和床头柜要放在一起。因为条件更苛刻，状态数更少，熵更小，更有序。

而很明显红色这边更乱，状态数更多，熵更大，更无序。

左边金字塔形，右边随便乱放。

左边1种状态，右边N种状态。

至此你已经对熵有了初步理解。

状态数有另一种说法——可能性

你看，把它想象成是从高处随机把一堆砖头丢到地上，更有可能会出现哪一种情况？

肯定是右边，如果出现左边（金字塔）这种情况，真是奇迹了。

所以其实状态数越多，它也代表了更高的可能性，而状态数越少，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乱。

理解了这层对应关系。对于我们的生活来说，它可不是什么好消息，因为

• 如果随波逐流，一个普通人的人生更大可能是混乱的，而不是有序的

• 如果因为催婚而结婚，那么这段婚姻更可能是不幸的，而不是幸福的

• 如果你想做出点与众不同的事情，更可能会遭遇失败，而不是成功

在这个世界上，混乱才是常态，而有序是需要刻意营造的。

理解这一点，对于年轻人来讲真的很重要。

熵这个概念，它也不是只能拿来解释那些宏大的问题，比方说，

因为挺直腰就对应了更少的可能的状态数，所以它代表了更小的熵，也代表了更有序的状态；

放松的时候，状态数据很多了，你可以站着、躺着、坐着、斜靠，葛优躺都可以。状态数多，熵就增大了。熵增大了，我们也就更加容易走神了。

前面我们了解了熵的概念，我们还需要了解熵和时间的关系。

熵增定律告诉我们，在封闭系统中，熵会随着时间的推移而增加。

比如一种年久失修的房子会破败；一辆在路边停留很久的单车会生锈。

为什么这个过程它不能反过来，一个生锈的自行车放久了，为什么不会自动变得崭新？

要理解这个问题，我们需要了解一个概念，就是封闭系统。

在物理学上，封闭系统有两个更加精确地定义，孤立系统与封闭系统。

• 孤立系统：跟外界没有能量和物质交换的系统。

• 封闭系统：没有物质交换但有能量交换的系统。

我们先简单把这两个概念统称为广义的封闭系统，一个与外界隔绝的不交流的系统。

可以用一个非常简单的模型来理解封闭系统。

一个容器里面有空气分子，分子只能分成左边和右边两边。

最开始的时候，假设空气分子全部集中在左边，那么随着时间的推移，分子会怎么活动？

分子会逐渐平均化，左边的分子会逐渐移到右边来，最终它们会形成这样一个状态：

关键点已经来了，这个时候它们的熵是变大了，还是变小了？

我们来回忆一下熵的定义，因为熵跟状态数成正比，后一种情况，状态数明显是更多的，为什么？

你想象一下，同样多的分子，在两倍大的空间里，它们能够随机分布的位置就更多了，能够产生可能的状态数就更多了，而状态数更多，熵就更大了。

你看，在刚才封闭系统里，随着时间推移，系统就会变得越来越无序，越来越混乱了。

但这个跟我们观察人类社会的直观感受不一样。

因为我们发现，人类社会是在不断进化的，科技文明在不断发展，我们并没有变得更加野蛮和混乱，这个怎么解释？

一定存在某种特定的系统，它是可以让熵越来越小的。

比如初始状况，如果是这样子的，随着时间的推移会反过来，这些分子会全部集中跑到左边去，而不是保持平均分布。

怎么样才能做到这一点？

这就要提到麦克斯韦的思想实验。

麦克斯韦这个人大家可能不太熟悉，但是麦克斯韦方程相信大家都听说过。

实际上，麦克斯韦是十九世纪最重要的物理学家之一，他奠定了整个电磁学的基础。

当时他做了这样一个思想实验，在封闭系统里面，放进去这么一个小人，这个小人只做一件事情，就是判断，判断什么？

如果分子是从左边往右边走，就不给通过；

如果是从右边往左边走，就给通过，就这么简单。

只要这个小人一直在工作，随着时间的推移，分子的自由移动，它会慢慢的全部集中到一边去，就会出现这样的局面：

麦克斯韦妖（如果分子从左往右就不通过，从右往左就通过）

右边的分子全部跑到左边来，这不就是熵减了

所以这个简单的思想实验，实际上在十九世纪时造成了巨大的轰动，它蕴含着一个深刻的哲理：

到底这个小人，他做了什么事情，可以让一个系统自动自发的变得更加有序?

如果解答了这个问题，我们就找到让世界变得越来越好的密码。

所以我们仔细看就发现，这个小人他一直在做两件事情，就是正确的感知和正确的选择。

只要他能够不断地做好这两件事情，随着时间的推移，整个系统是变得越来越有序。

它背后蕴含的哲理就是，感知和选择，是可以使事物变得更加有序的。

我想这个对大家是很有启发的，比如我们正常人的大脑，在日常生活中是混乱无序的。

美国国家科学基金会曾经发表过一篇文章，发现普通人每天脑中会闪过1.2 万- 6 万想法，这就很像我们上面讲的分子随机运动的容器。

如果套用刚才我们说过的思想实验，假设我们如果能够在大脑里面放一个小人，他每天负责判断我们的念头是什么，我们应不应该想它，只要我们经常这么做，就可以使大脑变得越来越有序起来。

这也就是论语中“吾日三省吾身”的道理。

所以你看，了解的熵增定律，也可以让我们知道如何让我们每天大脑更加有序。

让我们更进一步，再观察一下这个小人做的事情，感知和选择是需要能量和信息的。

你看，他去感知这个分子的运动状态，还要去阻挡它，这两件事情都需要能量的，而他要去判断哪个方向可以通过，是需要逻辑的，这个就需要信息输入了。

所以放入了这个小人之后，整个系统其实是从一个封闭系统变成了一个开放系统。

尽管表面上看，它还是与外界隔绝的，但实际上我们给这个系统注入了什么？

能量和信息。

所以，这里面我们又得到一个新的东西：

这个世界上有一种系统，它能够不断地从外界输入能量、物质和信息，自己可以不断的排出熵。

这个东西就叫做耗散结构。

最典型的耗散结构就是河流，你看河流要从上游注入水分子，而且水分子从高处往低走，还会带来能量。

所以河流这个系统，它是永远不会腐败的，一直保持着动能和活力。

问渠那得清如许，为有源头活水来——朱熹《观书有感》

深淘滩，低作堰——都江堰 李冰父子的治水名言

而与它相对应的，比方说，一个年久失修的游泳池，池水就会腐败，肮脏发臭，因为它是一个封闭系统。

流水不腐就是这么一个原理，因为流水就是一个耗散结构。

流水不腐，户枢不蠹——《吕氏春秋·尽数》

耗散结构有一个很有趣的特点，比方说河流，你每一天看到它都是新的，因为它的水分子都是不一样的。

但有趣的是，它千百年来又都是同一条河流，这是个哲学命题。

释迦牟尼佛在 2000 多年前，就跟波斯匿王探讨过这个问题。

所以，耗散结构这种神奇的东西，古往今来，其实有很多的智者都思考过。

耗散结构为什么神奇？

因为它是一个动态平衡体，而不是一个静态平衡体。

动态的意思就是它是一直在变的；

但平衡的意思就是它一直保持着一个稳定形态。

了解耗散结构，我们也可以顺便解答下面两个问题：

城市和公司它其实也是耗散结构，所以我们要选择那种效率更高、运转更良好的耗散结构。

我们应该加入那种能够不断从外界吸取能量和信息，不断做出成绩，让自己变得越来越有序的城市和公司。

反过来，不要选择尽管现在很有成就，但是已经陷入了自我封闭，自我感觉很良好，拒绝跟外界进行信息和能量交换的城市和公司。

因为如果你进入这样的封闭系统，最大的问题就是，不管现在它看起来有多好，它能给你多安逸的生活，甚至多高的工资，但是随着时间的推移，它一定变得越来越糟糕，这是熵增定律决定的。

关于选择职业公司或者城市的话题，我们在系列课程的后半段，还会有专门的章节来讲解，所以今天就不展开了。

我们人体也是个耗散结构。

你看生物学上，我们学过新陈代谢，人体的运动方式就是不断通过注入能量、信息和物质，让自己不断地从身体里面排出熵。

我们人是每天都在变化的：

大脑里面的海马体，每天都会新生出 700 多个神经元；

我们的皮肤每 28 天就会全部更新一次。

红血球大概 4 个月就会更新一次；

肝脏 5 个月会全部更新一次；

而我们的骨骼大约 7 年时间就会更新一次。

所以，7 真的是个很神奇的数字。基本上，人体每7年大部分的细胞都会全部换过一遍。

那么既然你身上大部分的细胞都换掉了，那么你还是那个你吗？

所以从细胞的层面上来看，其实你已经不是以前那个你。

所以了解耗散结构原理，我们就能从物理学的层面发现，人真的是可以彻底重塑自己。

人重塑自己需要多长时间？

大概是4-7年，所以不管我们现在对自己有多不满意，脱胎换骨这件事情是真的有可能发生的。

只要给我们7年时间，我们真的是能够从生物学的层面完全脱胎换骨，永远不要给自己判死刑。

那我们来研究一下，如何让人体这个耗散结构运作良好？

人体耗散结构仔细拆分一下

输入端：求知、食物、娱乐、环境；

环境指的是家庭、朋友圈、工作氛围、城市等，环境会综合影响信息和能量的输入；

输出端：排泄物、负能量、负信息，这些都是熵。

• 排泄物：屎尿屁（毕导的专业领域）

• 负信息：如果正信息是消除世界的不确定性，那么负信息是增加了世界的不确定性，比如撒谎、谣言、胡思乱想，因为它们会干扰我们的生活，增加世界的无序性。

这个主流程上下连通，形成了外循环系统。

睡眠、运动，思考，日常活动，这些因素都会不断循环，它会产生一些成果，再反过来作用与输入端的一些要素。

比如说求知-信息，食物-物质，娱乐-能量（比如听好音乐、唱好内容、从事兴趣和爱好）

睡眠、运动、思考和活动，我们在精力管理节课会更加详细讲。

看完图，给我们什么启发？

我们应该如何运转好自己这个复杂的耗散结构？

虽然它很复杂，但是策略并不复杂，就是

管吃不管拉，管睡不管醒；因上努力，果上随缘。

什么意思？

如果你睡得早，你不可能起得晚；

如果你因都是对的，那么得到好的结果，就是时间的问题。

这张图里面，我们应该把焦点全部放在蓝色的部分；

蓝色部分（求知、食物、娱乐、环境、睡眠、运动、思考、活动）

而对于红色部分的东西，我们应该采取什么态度？

红色部分（排泄物、负能量、负信息）

我们应该接纳它们的存在。

如果我们经常忍不住抱怨、胡思乱想、拖延症，其实是因为你身体里面积累的熵太多了，它们是要被排泄出来。

我们最容易犯的错误，就是无法接纳自己红色的部分，产生了大量的自责，而自责很有可能会阻止你继续排出熵，最终导致另外一种结果就是身体的病变。

反过来，我们应该从源头去减少身体里面积累的熵，而不是产生了很多熵，而去压抑排解它们的过程。

这个原理当然也会适用于 如果我们取得的负成果，我们眼前不能光盯着负成果，去后悔、去懊恼，

而是应该释怀和接纳，盯着我们蓝色的这些模块去下功夫。

蓝色部分（求知、食物、娱乐、环境、睡眠、运动、思考、活动）

如果错过了太阳时你流了泪，那么你也要错过群星了。——泰戈尔 《飞鸟集》

乔哈里视窗，人生不是得到就是学到

比如说

我们应该采取什么样的活动？

我们的睡眠、运动、思考做的够不够好？

我们的求知、娱乐方式是不是使我们的身体减少了熵？

这些才是使我们产生正成果的概率增加的核心原因。

所以，了解耗散结构原理之后，你就会发现那些鸡汤里面教大家不要负面情绪，为什么没有用？为什么你会觉得很空？

因为它们抓做了重点。要知道依靠决心和自责是过不好这一生，我们需要刻意改变的东西，就是耗散结构的输入；

而对于已经产生的坏结果和坏行为，我们应该尽量接纳。

要明白，会抱怨、会撒谎，会懒惰，会拖延，这些其实都是系统的熵往外排出的结果；

关键在于我们需要改善系统的输入，让我们身体减少熵。

到了这里，我们再问一个更残酷的问题，如果我们已经被困在一个封闭系统里面，怎么办？

比如，我们不喜欢自己的城市，甚至有一份不满意的工作，但是一时半会也离开不了。

我们被限定在一个相对封闭的系统里面，我们还怎么过好接下来的日子？

你看在一个封闭系统里面，你改变不了这个封闭系统本身的格局，但是你依然可以做好感知和选择这两件事情，只要做好这两件事情，你就可以使得整体的熵逐渐减少。

我们来举一个非常非常极端的例子——纳粹集中营，这应该算是一个极度糟糕的封闭系统，现代监狱和集中营相比，简直就是天堂了。

著名的心理学家维克多·弗兰克，他是《活出生命的意义》这本书的作者。

这本书应该是美国 50 年代以来最有影响力的书之一了，Viktor在二战时就被关进了奥斯维辛集中营，一直关了三年，

当时这个集中营中，每 28 个人只有 1 个人能活下来。Viktor的父亲、母亲、哥哥、妻子，身边几乎所有的家人都死在集中营里，而身边没有死的很多人都精神失常了。

在这样一个神经病的环境里面，他却发现了一种方法，可以一直保持头脑清醒和身体健康，这个东西是什么？

他在书里面写写道，这个东西就是选择的自由。

你无法控制，生命里面会发生什么，但是你可以控制面对困难的时候，你的情绪和行动。残酷的世界可以拿走你很多东西，唯独有一样东西它永远拿不走，就是选择的自由。

古罗马哲学家 爱比克泰德，他在中年的时候，被剥夺了所有的财产，被逐出罗马。被流放的时候他是这么跟朋友说的，

如果我必须被流放，谁又能阻止我面带微笑，愉悦而且平静地离去呢？

你看，这就是在极端的环境下，那种选择的自由吧！

其实我们的人生，从选择的维度来看，大概是可以分成三段的：

1.【依赖】（从我们出生到刚刚独立）

这个这段时间，我们能控制的事的确不多：

我们投胎出生在什么家庭，拿什么样的DNA，在什么样的城市，读什么样的学校，遇到什么样的老师，大部分的选择都是不由我们控制。

2.【独立】

我们已经开始独立，可以选的东西变得很多。

这个时候一旦跟身边的人比较，就有人会停留在对人生的第一个阶段抱怨里面出不来。

他们一直抱怨自己先天条件不够好，认为自己没得选择。

查理芒格分享过一种保证可以让人顺利变成穷的方法，就是

这个人一定要坚信人生是不能输在起跑线上的，只要他出生的环境不够好，没考上好大学，没找到好工作，或者是考研考公失败，他这辈子就完了。

还有如果你 30 岁之前没有出息，你 30 岁之后，就别想有什么成就了。一旦你对这一点有一丝怀疑，你都不能够成功地成为一个穷人。

我自己在 28 岁的时候，曾经非常相信 30 岁是一道坎，比如说三十而立之类的东西，当时非常焦虑，觉得自己人生已经没有多少机会了；

后来不知不觉就 30 岁过去了，而且还过得非常不顺利。

你猜现在怎么样？

我发现其实人是很贱的，过了30 岁之后，我迅速就开始自我催眠了——我是个大器晚成的人，也许我要熬到 50 岁才能成功。

我还研究发现，你看凯撒 40 岁才崛起；任正非 40 多岁才创立华为；山德士 62 岁才创立肯德基，所以他们 30 岁的时候也没什么成就。

后来我一直熬到 36 岁之后，创业和投资才开始有点转机。

我后来反思，在 30 岁那个时间点，我可以选择自我催眠，继续折腾；也可以选择放弃幻想，寻求安稳。

这一种选择可能就是我人生的分水岭。

3.【稳定】

最典型的情况，就是找到一份稳定，甚至可以干一辈子的工作。

这样的工作有一个潜在的危险，有可能会陷入一个封闭系统，不断熵增。

实际上这种系统，在我们这代人是比较普遍的，比如说当家庭主妇，或者是进了国家机关之后，或者是当老师进了事业单位之后，比较容易进入这种状态。

但是这么多年，我也看到很多身边的朋友，反而利用这种稳定的环境，构建出了很好的耗散结构，所以，我觉得这一切还是看个人选择的结果。

这个世界充满了辩证法，那些热衷冒险的人就应该多一点追求务实和安稳的态度。

而那些拥有稳定生活的人，就应该多一点追求开放和冒险的精神，这样都会让自己的生活变得更好。

闻斯行诸，因材施教——《论语·先进》

如果属于临事退缩的，就要勇敢一点，做事不够勤奋的就要勤奋一点；

如果自己是过于果敢、轻率的就要退缩一点凡事再思而后行，如果自己是过于勤奋休息太少的就要注意休息好

不管怎么样我们要记住，再精致的封闭也会腐烂，再简陋的耗散也会鲜活。

这节课的最后，我们再跨界到心理学，心理学家卡罗尔·德韦克《终身成长》这本书推荐大家可以有空看一下，

里面画了一张图，对应着我们今天讲的耗散结构和封闭系统。

他发现人有两种反应模式， A 模式（固定型思维）和 B 模式（成长型思维）。

这两种模式，日积月累之后，就会使人生演变成完全不同的两种结构——耗散结构和封闭系统。

具体而言，它取决于我们对很多小事情的第一反应。

遇到挑战时，

A 模式倾向于逃避，觉得挑战很烦；

B 模式第一时间很兴奋，会试着迎接这个挑战。

遇到阻碍时

A 模式遇到阻碍的时候，会倾向于放弃；

B 模式如果这个阻碍实在太大，他也放弃，但是它有可能会第一时间多试着想想办法，看看怎么解决它。

对努力的看法

A 模式觉得那些努力工作人很傻很天真，都是因为被洗脑了，才会这么努力。

B 模式更加关注的是事情本身，他觉得很多的事情真的是只要花更多的精力，就能够做得更好。

面对批评的时候

A 模式会本能地反击；

B 模式当然也会有点不爽，但是他会觉得不妨听一听看看，是不是真的有道理。

看到身边的人的成功

A 模式第一反应是酸，觉得别人都是运气，或者觉得别人的成功可能就是一时得意，就等着看对方失败，看笑话；

B 模式更加关心，我能不能从他身上已经验证过的东西得到什么启发灵感。

日常生活中，大多数人不是纯A，也不是纯B。大家其实都会有这两种模式的融合，但是有的人 A 模式会多一点，有的人 B 模式会多。

随着时间的推移，两种模式都会形成自己不断增强的闭环，直到逐渐形成牢固的系统。整体来说，

A 模式，一直在拒绝信息和能量的输入；

B 模式，一直在强迫自己去接受更多的信息和能量。

所以，选择 B 模式的人通常总是伴随着更多的痛苦，毕竟趋利避害是人的本能，所以 A 模式更加符合人性。

而在我们的人生中，构建耗散结构的过程，就是要不断地承担更多的痛苦，花精力去做一些逆人性的事情。

所以，这件事情落到实际，就会充满困难，正所谓知易行难就是这个道理。

不过有的时候，我们觉得难，它并不是真的因为它很难，而是因为我们没有掌握正确的方法论。

正所谓天下难事，必作于易。

我们要把一件非常困难的事情做成，其实通常要把它拆成很小的一件又一件简单可执行的事情一步一步做。

我觉得在这方面，就没有一个学科比工程学更加擅长，它对于如何拆分和执行研究的非常透彻。

所以，如何做到知行合一，下节课，咱们就来讲讲工程学对我们的启发。

下一期笔记 学科02：系统论重要模型

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