太阳每秒钟电磁辐射高达 3.827×10的26次方瓦,这一数值被称为光度值 。而地球上每平方米大约能接收到 1367 瓦特的能量,此为太阳常数。
地球的截面积约是 127,400,000 平方公里,经计算可得,地球每秒从太阳接收约 1.74×10的17次方焦耳能量。这是个极为庞大的能量数值,是人类所需能量的数千倍 。做个形象的对比,1945 年美国在广岛和长崎丢下的原子弹释放能量约为 5.5×10的13次方焦,也就是说,地球每秒接收到太阳的能量相当于 2091 颗广岛原子弹释放的能量,其数量之巨,超乎想象。
尽管地球接收的太阳能数量惊人,但并非全部被地球留存利用。
实际上,大气层大约要反射 34% 的太阳光 ,所以真正到达地面的太阳能大约是每秒 1.15×10的17次方焦耳。当地球吸收太阳能之后,温度会随之升高,随后便会以红外线的方式向外界散热。一般来说,散发的热量与地球温度成正比关系,即温度越高,散发的热量越多。当温度保持稳定时,地球吸收的能量和散发的能量就基本相等了 。这就好比一个天平,当两边的重量达到一致时,天平就会处于平衡状态,地球的能量收支也是如此。
值得一提的是,当大气中的二氧化碳增多后,会出现一种特殊情况。一部分本来被地球散热出去的红外线,会又被反射回来,就像给地球盖了一层更厚的 “棉被”,导致地球不容易散发热量,这便是我们常说的 “温室效应” 。它在一定程度上打破了地球原本较为稳定的能量收支平衡状态,进而对地球的气候和生态系统产生一系列深远影响。
最重要的是,我们需要明白一个关键概念,那就是并非所有能量都能为人类所用,只有低熵的能量才具备实用价值 ,而高熵的能量往往难以被利用。
熵,是衡量系统混乱程度的物理量,熵越低,意味着系统越有序 。低熵能量之所以有用,是因为它处于一种不平衡的状态,蕴含着能够做功的能力,比如水坝后的水,由于水位差的存在,具有势能,是有用的低熵能量,当它向下流动时,可以推动水轮机转动,进而转化为电能 。
又比如,一杯热水含有热能,可以使放入其中的冰块融化,这个过程中,热水的能量得到了利用,实现了能量的转化。
然而,高熵能量则是无序的,难以被人类利用。像马路上行驶车辆产生的噪音、地球每天夜里向太空辐射的红外线,以及放在地面上物体的势能(在没有高度差变化的情况下),这些都属于高熵能量 ,它们无法直接被用于驱动机器、提供动力等实际用途。
从能量转化的角度来看,熵增是一个不可逆的过程。
以汽车运行过程为例,汽油和空气中含有的是低熵的化学能,当它们混合在一起燃烧时,化学能转化为机械能,让汽车得以跑起来 。但在这个过程中,除了产生有用的机械能外,还会产生大量没用且高熵的热量和噪音 。能量总量虽然保持不变,但有用的低熵能量却转化为了难以利用的高熵能量,这就是熵增的体现,它导致了有用能量的减少 。
再比如,在一个孤立的房间里,如果不对其进行整理,随着时间推移,物品会越来越杂乱,灰尘也会逐渐增多,房间的熵值就会不断增加,这同样体现了熵增的不可逆性。
从地球生物的角度来看,全球的植物对太阳光的利用率大约只有 1% 到 5% 。植物通过光合作用将太阳能转化为化学能,储存于自身的有机物中,这是地球上生物利用太阳能的重要途径 。然而,如此低的利用率意味着大部分太阳能在这个过程中被浪费了。
以一片广袤的森林为例,虽然森林覆盖面积较大,但其中植物真正能够吸收并转化为生物能的太阳能,仅仅是照射到森林区域太阳能总量的极小一部分 。这是因为植物自身的生理结构和光合作用机制存在一定的局限性,无法充分捕捉和利用所有照射到它们身上的太阳光 。而且,不同植物种类对太阳能的利用效率也有所差异,一些生长在阴暗环境下的植物,其对太阳能的利用能力更为有限 。
如果上升到宇宙的高度,我们的宇宙都被熵所掌控,最终走向“热寂”的宿命。
氢气,拥有宇宙中最低的熵能,恒星的熔炉内氢气消耗之际,便诞生了较为低级的能量形态——热辐射与太阳能。
太阳作为地球的能量供应站,提供以低熵、易用的太阳能,其中最主要的载体是可见光子。
这些携带低熵能的光子,抵达地球后经多重转化,逐级消散,最终以高熵形态散射回宇宙——红外线。
每当地球捕捉到一个可见光子,作为回应,它向宇宙辐射出大约20个红外光子。
也就是说,尽管地球吸收和释放的能量平衡,但熵值却增加了整整20倍。
实际上,太阳是我们现成能量的救世主,在阴冷寂静的星际空间里,它是唯一闪耀发热的天体。
设想一下,如果星河彼岸也同太阳一般炽热,地球虽会迎来更多能量的沐浴,却也会迅即地达到一个高熵的均温状态。
倘若一切皆热如太阳,那便没有了驾驶的可能,生存亦无从谈起,问题并非在于能量的匮乏,而是当一切能量均等分布,便无所作为。
在那样的平衡状态之下,所有能量沦为无用的高熵态,且永恒不变,于是,运动不复存在,这便是宇宙尽头的“热寂”之说。
万事万物皆化为能量,却沦为寂静的能量平衡态。
当一切熵增到顶点,时间本身也会变得毫无意义。