科学本物志：稳定性与能量

惊堂木一拍，上节说到师徒四人西天取经…不，说到现实中的稳定系统与不稳定系统，五花八门林林总总，但总要有一个合适的方法来判断一个现实系统是否稳定，其根本在于能量。

能量越高的系统越不稳定。反之，能量越低的系统越稳定。就如同一个大坝蓄水，水位越高，其积聚的势能就越大，坝体承受的压力就越大，发生溃坝的风险就越大，大坝就越不稳定。鲧窃息壤以堙洪水，等于加大了系统的不稳定性，治水未成，成为了一个悲壮的未竟英雄。禹因势利导，疏通洪水，使系统趋向于稳定，治水成功。再比如一个吹气球，气球吹的越大，离爆炸的边缘就越近一分。这就很容易理解在地震带生存的人民为什么会在过了几十年太平日子之后愈加战战兢兢，比如美国加州和日本关东，因为地壳之下积聚的能量越来越多，让系统愈加不稳定，地震的概率也就越大以致无限接近于1。能量与熵有着直接联系。熵是度量一个封闭系统有序程度的量，简单来说就是单位系统内包含信息量的多少。“烟柳画桥，风帘翠幕，参差十万人家”一定比同面积的“大漠孤烟直，长河落日圆”包含更多的信息。在热力学第二定律无所不在的作用下，整个宇宙都在向无序化发展，越来越均匀，熵越来越高。沙漠是一个很典型的高熵系统，每个沙丘都差不多。在人类文明的时间尺度下，如果对沙漠不加治理，它绝不会逆向发展。这不是一个口号，而是一个深刻的事实。农田森林变成沙漠速度很快，从地质尺度上是一个瞬态过程。但接下来的稳态过程可就太漫长了。沙漠超级稳定，在自然条件下沧海桑田几百万年，它也仍然是沙漠。（中国的沙漠治理走在世界前列，库布齐沙漠在明朝时就能掩埋长城，而现在已经被治理的大大北遁，但甘肃一带的沙漠推进依然非常严重。）

一百多年前的俄国数学家李雅普诺夫提出了一个简单有效的判据。如果能建立一个函数 ，包括这个系统所有的独立状态。这个函数在任意时刻的值必须为正，就相当于建立了一个该系统与能量之间的映射关系，因为系统包含的能量不可能为负或为零。这个函数的导数为负的话，这个系统就是稳定的，相当于水坝在慢慢泄洪，气球在慢慢漏气，黄石国家森林公园的火山在慢慢无害的喷发。然而，这个函数的导数如果为正，那该系统就只能自求多福了，水坝水位猛涨，气球呼呼膨胀，黄石公园的地面受底下岩浆库的巨大压力膨胀成了拱形…...哎呀想都不敢想。面对不稳定的自然，我们也不是毫无办法。比如龙卷风是北美最大的自然灾害之一，其原因是低密度的热空气上行，与高密度的下行冷空气对流产生涡流。如果此时用高热源的导弹攻击龙卷风中心破坏对流，就是提前释放掉龙卷风的能量，可将其形成扼杀在萌芽阶段，这也是美国大气研究的一个重要课题。

将一个不稳定的系统变成稳定系统，是学自动控制的工科狗们的第一要务。比如家里有个柜子经常奇怪的与外面的钟声共鸣，跟闹鬼一样。如果拿锉刀挫掉几处地方，或直接来几锤子，它可能就不共鸣了。在专业上，这叫零极点配置或改变它的频段。自动控制的任务有两个（分先后）：镇定系统和优化系统。换句话说，先活下来，再活得好。工业中最常用的控制器叫比例-积分-微分调节器，调的好的话，能让系统又快又稳的实现你的追求。比例-积分-微分是一个非常深刻的搭配，在电路、通信上都有对应的环节，大巧不工。现在有很多听起来酷炫的先进控制器，落实到应用里，仍然是怎么调节这三个参数。了解了这个本质，目迷五色之后，自然智光重朗。

稳定的社会人人爱，但过于稳定的社会发展就会极其缓慢。“从前车马很慢，书信很远，一生只够爱一个人”，那是因为农耕社会能量密度太小熵比较高。更加发达有序的社会，是用更广义环境的熵增换来了局部的低熵。时光是回不去的。时间是度量变化的量，花开花谢，生老病死。假如宇宙持续膨胀下去，其终点是热寂，宇宙各处完美均匀，连粒子都被撕扯成更小的单位。届时宇宙各处不再有任何不同也不会再有任何变化，时间也就此失去意义，这也是时间的终结。