有兩個量與宇宙中發生的一切有關。它們相互聯繫，卻又逃避被理解：能量和熵。我們將看到這些量如何指導系統的演化，但首先我們必須用一些定義打好基礎。
能量
我們大多數人對能量的意義都有一個直觀的概念。能量是行動的貨幣。它是某物改變另一物狀態的能力。能量是我們區分“存在”和“虛無”的方式。
在物質世界裡，能源基本上有兩種類型：
- 事物的存在本身就具有能量。這叫做質能。
- 物體可以通過運動或處於其他場中(給予它們勢能)來獲得額外的能量。溫度和速度是動能的兩種形式，我們很容易觀察和理解。重力是由質量產生的勢能場，它把能量傳遞給其他質量。
能量E似乎在宇宙中是守恆的。這意味著如果一個物體獲得了能量，另一個物體就失去了能量。
能量是如何流動的？
能量從一個實體轉換到另一個實體，從一種形式轉換到另一種形式。大自然憎惡能量梯度。物質能量試圖通過釋放能量並進入低能量狀態來達到平衡。這就是為什麼物質從山脈的頂部(在那裡它有高的勢能)流向底部(在那裡它有低的勢能)。河流流速降。侵蝕把石頭和泥沙帶到下面的山谷。
我們很自然地會問，如果宇宙已經存在了幾十億年，為什麼能量還在運動？到現在不都平衡了嗎？為什麼所有的山都沒有被夷為平地？
答案在於能量的創造性孿生兄弟——熵。能量和熵是一個永恆的伴侶。
熵
熵可能是所有科學中最容易被誤解的基本量。在許多試圖用普通語言表達其意思的嘗試中，有“混亂”和“失去活力”。谷歌將熵定義為“代表系統熱能的不可用性……”通常被解釋為系統的無序程度或隨機性。”
雖然熵可能代表能量損失或被解釋為無序，但這些屬性並不能定義熵。我認為，解釋和定義之間的這種混淆是許多人錯過熵的基本特徵的一個重要原因。
雖然熵可能代表能量損失或被解釋為無序，但這些屬性並不能定義熵。
那麼讓我們來看看熵的定義，它很簡單：
前面的k只是一個用來計算單位的數。ln是對Ω的自然對數運算符。
最後，Ω是熵定義中唯一具有物理意義的量。Ω，從廣義上來說，是熵，它是系統元素可以居住的狀態數。
熵是一個系統的元素可以處於的狀態數。
熵，像能量一樣，通過比較最容易理解。為了比較不同排列的熵，我們定義了宏觀狀態和微觀狀態：
- 宏觀狀態是我們感興趣的系統的高級屬性。
- 微觀狀態是系統元素的所有不同配置，它們可以導致給定的宏觀狀態。
兩種宏觀狀態的熵可以通過計算它們的微觀狀態數來進行比較。宏觀狀態有更多微觀狀態的可能性更大，因為它有更多的方式發生。因此，熵在物理量中是唯一的，因為它隨時間在封閉系統中增加。
熵隨時間增加的事實意味著系統趨向於對結果有最多的安排。
在我看來，比較不同宏觀狀態的熵是它最有用的應用之一。它讓我們對“生命為什麼存在?”到“金融市場的未來會怎樣?”
考慮下面的例子:
物質不同狀態的熵
還記得高中化學中物質的狀態描述了它是固體，液體還是氣體。這些狀態從熵的角度被認為是宏觀狀態。物質的熵隨著它從固體到氣體的相變而增加，因為物質的粒子有更多的自由去探索它們的環境。
在固體中，粒子被包含在物體的邊界上。對於液體，粒子被限制在容器的底部。對於氣體，粒子受其周圍環境的限制。物質所能佔據的物理邊界越大，它的熵就越大。氣體宏觀狀態比液體或固體宏觀狀態有最多的微觀狀態。
我們現在準備研究能量和熵是如何相互作用的。
能量和熵的關係
好了，我們知道能量在宇宙中趨於平衡，物質趨向於從高能變成低能。你看到這裡的矛盾了嗎？矛盾是宇宙的核心驅動力，即擁有更多的能量會讓事物以更多的方式進行自我排序。所以高能量態通常也有更高的熵。
想象一個球在一個簡單的u形斜坡上來回運動。球在底部的速度越快，能量就越高。它在底部的速度越快，它在斜坡上的高度就越高，它在空間中佔據更多位置的熵也就越大。因此，球的能量越高，它的熵就越大。我們現在準備研究能量和熵是如何相互作用的。這是理解關係物理學的開始。
想象一個球在一個簡單的u形斜坡上來回運動。球在底部的速度越快，能量就越高。它在底部的速度越快，它在斜坡上的高度就越高，它在空間中佔據更多位置的熵也就越大。因此，球的能量越高，它的熵就越大。
能量與熵的關係可以用吉布斯自由能來表示，吉布斯自由能是一個考慮了能量和熵對系統行為的相對影響的量。定義為：
- 吉布斯自由能方程
△表示狀態的變化，G是吉布斯自由能，E是能量，S是熵。
當△E為負值時，△S為正值，則△G為負值時，表示系統狀態的變化可能是自發的。△G的負值越大，變化的可能性越大。
當△E和△S為同一符號時(兩者為負或正)，△G的結果取決於它們的相對大小，而T則是△G變化時所處環境的溫度。
溫度只是環境環境能量的一種測量方法。為了說明△G的可能性，我們把△E和△S = 0這四種基本的可能性列在一張表中：
現在讓我們依次看看這四種可能性中的每一種。每種可能性都有一個原型名稱來幫助理解。
吉布斯原型1：△E < 0 &△S > 0
原型：燃燒過程——火
△G: < 0
當△E為負值和△S為正值時，系統向四周釋放了能量，同時增加了向四周開放的可能性。這一過程在自然界中最常見的例子是燃燒過程，如火。
在燃燒過程中，儲存能量的長而複雜的分子會分裂成小塊。這樣，它們化學鍵中的能量被釋放到周圍環境中，分子中的原子被釋放到大氣中(火以氣體的形式排放二氧化碳和水)。
吉布斯原型二：△E > &△S <0
原型:光合作用
△G: > 0
第二種類型是光合作用。在光合作用中，物質的能量增加而熵減少。來自陽光的能量通過分子鍵的形成被捕獲，這些分子鍵將氣體分子相互連接起來，限制了它們的運動。光合作用原型與火的原型相反。在自然界中，這兩個過程循環往復。
因為△G在光合作用過程中總是正的，我們可能以為它們根本不會發生。顯然，還有其他因素在起作用。光合作用能夠發生是因為：
雖然直接參與光合作用的物質減少了熵，但它們增加了周圍環境的熵。
吉布斯能量給出的是可能性，而不是絕對的確定性。總有一個過程發生的機會。
吉布斯原型三:△E > 0和△S > 0
原型:蒸發
△G: 高溫時為>，△G: 低溫時為< 0
原型三是蒸發。在蒸發過程中，液體分子獲得能量，利用這些能量打破液體束縛，進入高熵氣體狀態。
其他蒸發原型的例子是融化和膨脹。
吉布斯原型四:△E < 0 &△S < 0
原型:冷凝
△G：當高溫時，△G為>；當低溫時，△G為< 0
冷凝原型包括能量釋放和熵下降的過程。當然，這是蒸發原型的夥伴。凝結或蒸發原型的每個過程都有一個類似的相反的過程。
凝結過程的其他例子包括結晶和收縮。
能量的“價值”
我們知道蒸發或冷凝原型的過程會根據溫度自發地發生。一種物質在低溫下經歷冷凝式過程，在高溫下轉變為蒸發式過程。這兩個過程的邊界是基於其能量的熵值。
簡而言之，如果環境的熵增加量大於物質的熵增加量，物質就會向環境釋放能量。同樣的道理，當一種物質所獲得的熵大於它所獲得的熵時，它就會從周圍環境中吸收能量。
如果一種物質對周圍環境的熵增大於對它自身的熵增，那麼它就會向周圍環境釋放能量。同樣的道理，當一種物質所獲得的熵大於它所獲得的熵時，它就會從周圍環境中吸收能量。
這個系統所做的是基於這個問題的答案：如果它需要能量，這些能量會比它現在提供的能量來源提供更多的微觀狀態嗎？如果是這樣的話，熱力學會促使系統吸收能量。
讓我們通過示例來探索這種動態，這一次我們將進入社會領域。
收入再分配
把錢看作是一種可以由個人持有的能量形式。
和其他形式的能量一樣，錢越多，持有者的熵越大，因為持有者可以佔據更多的微觀狀態。有錢的人比沒錢的人有更多的選擇。暫時不考慮意識體驗的熵，錢多的人比錢少的人可以去更多的地方旅行。高檔餐廳，洲際航班等等。
然而，金錢給予個人的熵值並不是簡單的線性關係。考慮1000000元人民幣。對於那些有1000人民幣的人來說，100萬人民幣的增加給了他們一個巨大的機會。然而，對於那些擁有10億人民幣的人來說，增加100萬人民幣使他們幾乎沒有變化。
如果經濟以熱力學定律為指導，財富再分配將是這種熵差的必然結果。那些錢少的人會被認為是“冷”，而那些錢多的人會被認為是“熱”。最終，就像冷屋子裡的熱咖啡一樣，熱力學會規定溫度是相等的。
從冷的人的角度來看，環境溫度是高的，因為整個經濟的平均能量大於他們自己的能量。因此，它們將被迫經歷一個蒸發過程，通過從環境中獲取能量來增加它們的熵。
從熱的人的角度來看，環境溫度很低，因為整個經濟的平均能量比他們自己的能量要小。因此，它們將被迫經歷一個冷凝過程，通過從環境中獲取能量來增加它們的熵。
能量差越大，就越有可能達到平衡。這是因為，隨著能量分界的擴大，能量的熵值的變化也會擴大。
同樣的考慮也決定了水是凝結還是蒸發。水會凝結，把它的能量釋放到環境中，而它的能量為環境提供的可能性比為它自身提供的可能性要大。另一方面，當環境的能量為水提供了比它自身更多的可能性時，水就會蒸發。
結論
熱力學，即關係的物理學，是一種很有見地的工具，可以用來確定系統的預期行為。為了利用它的方法，我們需要測量系統能量和熵的方法。在物理科學中，這些測量可以通過計算和計數的結合來實現。
在社會科學和心理學中，熱力學定律被認為是同樣強大的，但在確定系統的能量和熵時遇到了極大的困難。主要的挑戰是這些數量是主觀的。在一種思想或一種文化中攜帶“能量”的東西可能與在另一種思想或文化中攜帶能量的東西非常不同。更困難的是社會或心理“熵”的歸屬，它描述了可用的心理或社會狀態的數量。
然而，我們迫切需要找到合適的方法來解決“困難的問題”、治理、倫理和我們的精神需求，這就要求我們去尋找黑暗和不確定的水域。我相信我們會發現熱力學為我們提供了一個巨大的未開發的資源在這些努力。
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