元宇宙中的能量问题

无论你喜欢与不喜欢，现实情况是，人类社会正浩浩荡荡地从现实世界进入虚拟世界。这个大搬家还需要一些时间，但是趋势已经是确立并且可能无法改变。

虚拟世界和现实世界的界限变得越来越模糊。总体而言， 虚拟世界变得越来越真实，而我们眼前的现实世界变得越来越魔幻。

如果你接受这一个现实，就不得不考虑在元宇宙里，能量和能量系统到底应该是怎样的?

元宇宙

元宇宙的英文叫 Metaverse，据说又是互联网之后的最大的变革之一。 是一个虚拟的世界。Metaverse是一个组合词，Meta是希腊语，即超越后面的意思。比如Metaphysics, 翻译过来叫做形而上学。其实本意就是超越物理，或者物理之后的那部分。 Verse是Universe的字根，泛指宇宙、世界。Metaverse的原义就是现实宇宙后面的那个宇宙，或者超越现实宇宙的那个宇宙。但是不知道为啥中文翻译成了元宇宙。我这里也就延续着叫元宇宙。

元宇宙本质上就是虚拟现实、增强现实和现实世界的一个混合体，能够支持大量用户实时在线。 和以前的虚拟世界不同的地方就是元宇宙中虚拟和现实是混在一起的。今天我们可以凭借计算机屏幕分别哪些是真实的，哪些是虚拟的。 元宇宙成功实施之后，未来计算机屏幕和显示器都会被淘汰掉。对于用户而言，很多时候，你并不是特别清楚哪些是虚拟的，哪些又是现实的。

元宇宙目前正在基础设施建设的过程中。Facebook宣称在5年之后将基本完成这一工作。元宇宙的基础设施的建设，并不亚于真实世界里的高铁和机场。如果元宇宙的体验足够好，我们就不需要乘坐高铁到全国各地去开会，也越来越少的人有兴趣乘飞机到世界各地去旅行。因为他们在虚拟的世界里可以看到更加绚烂多彩的风景。

在目前的虚拟世界里，模拟的对象是没有物质和能量约束的。比如在虚拟世界，每个Avatar 都可以腾云驾雾，从甲地到乙地实现瞬间漂移。你从来不用关心游戏场景里面的温度，你穿啥衣服都能抗击冰雪严寒。

在虚拟世界里对于物质和能量的约束，是通过现实世界间接实现的，取决于服务器的承载能力和真人玩家的时间。 每个人都是用有限的时间和有限的精力参与虚拟世界。

目前唯一实施的约束是空间约束。也就是在一块元宇宙中，有限的土地上你只能建出有限多的房子，在一个房子里，你只能塞进有限多的人、几何物体和有限多的家具。

但是空间的单一约束很快将不能满足元宇宙的要求。元宇宙需要更接近真实，那就必须带有物质和能量上的约束。因为元宇宙中将有大量的几何级可复制的机器人的存在，能量资源也会一下子变得短缺。和现实的接轨，必须有速度、温度这些现实的体验感。这就要求我们必须审视一下，在元宇宙里面，我们需要什么样的物理基础定律支持能量系统的存在？

四大热力学定律

关于能量的问题，我们大体有两类定律。

一类是牛顿定律系列的。就是关于动能的部分：速度、加速度、位移这些问题。这些问题在元宇宙中实现，似乎并没有那么的复杂。一旦有了质量，按照牛顿定律去实现就可以了。 

这并不在我们的讨论之列。今天我们主要讨论的是需要什么样的热力学定律，来支持未来元宇宙中复杂的生态？

我们先简单回顾一下热力学四大定律。这是人类经过几百年努力，用欧几里得公理、几何推理框架方式所构建的基础定律，用来描述能量的规律。

热力学第一定律是能量守恒定律。这个定律告诉我们，能量的形态会变来变去，但是能量不会变多，也不会变少。不同形式的能量似乎人人平等。

热力学第二定律是熵增定律。它的简单描述就是“热量不会自动地从低温跑到高温处”。这个定律揭示了能量的流动方向是单向的，能量有高低贵贱、品质之分。就像人类社会一样，无论你怎么用力，似乎永远做不到人人平等。

对热力学第三和第四定律知道的人就比较少，我简单多说几句解释一下。

热力学第三定律就是绝对温度定律。它的简单描述就是“不可能通过有限步数达到绝对零度”。这个定律揭示的是温度和能量的限制。我们今天这个宇宙的是一个有下限，没有上限的系统。这条原则和和我们做人原则基本一致。

热力学第四定律是温度定律。有时大家管它叫做热力学第零定律。因为它其实比第一第二第三定律更加基础，应该排名第零位。可是被发现的最晚，所以排名第四。有点像混Startup, 你在公司的地位不取决你的能力，而是取决于加盟的早晚。

第四定律的描述是，如果有两个热力系统都和第三个热力系统平衡，那么这两个热力系统也平衡。 就好比说A=B，A=C，那么就可以说B也等于C。热力学有了这样一个等价定律，我们才有可能去定义温度。

元宇宙能量定律

那我们来看一下，在元宇宙中我们需要什么样的热力学定律来支撑其能量系统？

第一定律

首先热力学第一定律是绕不开的。如果你想在虚拟的世界里对能量有所约束，那么就必须得有一个类似热力学第一定律的东西。因为服务器的资源是有限的，虚拟世界内部资源也是有限的。今天我们感觉虚拟世界内部非常辽阔，是因为有外部约束。一旦有大量自生自灭的虚拟人物出现，就必须有所控制。目前在虚拟世界里，经常是用钱币的方式去实现控制，比如你去打野猪才能够积累足够多的金币，用金币才能去买足够多的武装与设备。你设备多了才能够跑得快，打击敌人的时候才能释放出更大的力量。本质上这些金币就是热力学第一定律里面的能量。

作为初级的虚拟世界，这些可能就够了，但是对于元宇宙而言，这些并不够。因为元宇宙会越来越接近我们现实的世界。尤其在未来元宇宙中大量的虚拟和现实将是混在一起的。

这个时候就会出现各种各样资源的紧缺。当然并不是说我们可以完全照搬热力学第一定律，给元宇宙扣下能量守恒的帽子。

因为我们现在就活在这样一个世界里，我们觉得无趣也不满意。一旦能量守恒，我们怎么还能瞬间漂移呢。 

所以在元宇宙的世界里，热力学第一定律可能会稍做改写。改写为某一种相对温和的约束。这种约束可以来自于时间，比如说能量的总值随着时间的推移在增加；能量的形式从单一能量转化成更加接近现实的多种能量形式。这样才能支持速度、温度这些概念的形成。

第二定律

热学第二定律在虚拟世界里，是不是应该成立，是一个非常有挑战性的难题。

如果能量流动的方向是自由的，那么所有能量的品质就会变成一致。能量可以从高温端流向低温端，也可以从低温端自由地流向高温端。功可以自由转换为热量，热量也可以自由转换为功。这样的话，热力学第一定律的多种能量形式也就不存在了。

另外一个问题就是整个系统是没有任何耗散的。功和热量可以100%的互换，那将是一个没有耗散的系统。没有耗散的系统是一个非常不稳定的系统。因为人们可以毫无代价的去转换能量的形式。能量在系统里将会被瞬间的集中到某一点，比如把某一个房间的温度加热到无限高的温度。也可以瞬间把世界的所有部分都瞬间冻结为绝对0度。在这样的元宇宙里，所有的个体也将是不稳定的。

所以某一种改进版的热力学第二定律必须是存在的。

在现有的热力系统中，功可以100%地转化为热量，但是热量无法100%地转化为功，必须有一定的效率。这个效率就是卡诺循环效率。这种不对称据说导致了学术的不公平，搞机械的总瞧不起搞热能的。这种不公平必须推翻。

在改进版的热力学第二定律中，并不需要能量的流动为单向。能量可能无论从低往高，还是从高往低，在流动的过程中都必须加入耗散。在元宇宙中，我们可以要求所有的转化都必须有一定的效率。也可以让转换过程受制于时间的限制。

第三定律

热力学第三定律告诉我们没有负能量的存在。能量的极限就是0。当所有的原子分子都停止不动的时候，温度的极限就是绝对零度。不可能有比绝对0度再冷的温度了。

在元宇宙里是否要遵循这一规律呢？

假设在元宇宙中出现负温度以及负能量，会给我们带来什么样的灾难性的后果呢？

简单想一下，如果没有绝对零度的存在，温度的底值是没有极限的，那就意味着能量会变得无限大，任何温度上的能量都有价值。因为本质上能量是一个相对值而不是绝对值，我们今天感觉能量是一个绝对值，是因为有绝对0度的存在。

所以在元宇宙里能量必须是有下限的，只是这个下限不见得是一个定值，而是是可以随着时间的漂移而漂移，这一点可以和热力学第一定律相结合起来，用下限的漂移来实现整体系统能量的增加，或者减少。

第四定律

我们再看一下第四定律。第四定律本质上告诉我们，温度是可以通过等温物体的存在而定义的，也就是说一块30度的铁碰到一块30度的铝，他们之间是不会有能量交换的。就好像直男甲和直男乙坐在一起喝咖啡，他们是不会有眼神交换的。

虽然铁和铝是不同的物质，但是此刻铁和铝之间没有热交换，所以我们可以定义30度为温度。

这个定义在元宇宙中不见得要去遵循。但是某一种能量段位的标识还是需要的。不然永远不会出现温度这个概念，没有温度这个概念，我们就很难把元宇宙和我们现实的世界结合在一起。

总结

总结一下，对于元宇宙能量系统的定义和描述是一次深刻审视我们自己所处世界的一个机会。我们虽然通过几百年的历程发现了四大定律，搞明白了热力学能量的本质，但是我们从来没有仔细想过这样的能量系统是不是合理的。如果调整其中的一些参数，能否建设出稳定的系统？是否有更加简洁的能量系统存在？

比如，我们过去的四大定律里，时间并不是一个重要的参数。四大定律关于能量的描述，时间都是一个可有可无的量。比如能量守恒，无论时间怎么推移，能量都是守恒的；比如绝对零度原理，与时间的流淌无关。如果是一个全新宇宙，也许可以把时间引入四大定律里面。这个有点像非欧几何，让平行线交叉，就可以演变成新的几何体系。

当然我们知道，热力学四大定律是制约能量的基本定律，可是他们并不是能量系统的最底层的逻辑。最底层的逻辑还是物理原子与分子的运动。可是那些原则与分子的运动，至少在目前这个阶段的元宇宙中并不支持，因为计算量太大。当我们能够计算到那个精度的时候，也许我们就可以真正探究底层问题了。