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二)熵的启示 中国古代朴素辩证法关于矛盾对立统一思想,在西方现代科学中最好的体现就是 热力学中的熵的概念. 熵是科学名词,用以表示某些物质系统状态的一种量度,说明其可能出现的程度 熵(entropy)取自德国物理学家鲁道夫.克劳修斯扬弃卡诺循环中错误的热质观点, 总结而成的著名的热力学第二定律. 1842年,确立了能量守恒定律.人们认识到,热是组成物体的大量的粒子无规则 运动的宏观表现, 能量守恒定律认为:能量既不会发生,也不会消灭,它只能从一种形式 转化成另一种形式,热和功可以互相转化. 但卡诺定理却表明,热不能全部转变成功,即虽然自然界中能量守恒是存在的 但不一定都会发生.为了解决这种矛盾,克劳修斯考查了大量类型的的热功间的 能量转变(摩擦生热,电池放电类的正转变和气体压缩,电池充电的负转变) 结果发现自然界中的正转变是一种不可逆的转变(负转变不能自发进行), 即自然界所作的功不能自动复原. 做为计算这种变换的中的"等价量"(转变含量),熵被揭示出来: 熵表示一个系统做功的能力.熵越大,系统做的功越多,继续做功的能力越弱, 这与道家的"穷则变",以及中国传统文化中"物极必反"概念一同. 熵的属性: 1.熵是一个态函数,与过程无关,当系统的平衡态确定后,熵就确定了; 2.熵常数可以任意选择.例如,在热力工程中研究水蒸汽的性质,常取零度 时的饱和水的熵值为零. 3.熵是一个广延量,如内能,体积,热容量与熵,与总质量成正比. 强度量如压强,温度等则与总质量无关. 熵的意义: 1.揭示了自然界正转变做的功不可逆,即不可自动修复, 2.熵与能量一样是个真实的物理量,做为变换含量,它使不同形式的转变 可以相互比较. 3.熵的更深刻含义是:熵的增加,表示热能转变为功的可能性降低. 熵越小,可变程度越高,熵越大,可变程度越低. 熵就是热能转化做功的程度的量度. 4.在分子运动论中,由于分子的热运动,物质系统的分子要从有序走向混乱. 熵变大表示分子运动的混乱程度增加.( 5.熵是微观态数或热力学几率的大小的量度,这是熵的统计意义. 熵概念的推广: 克劳修斯提出熵概念后,100多年来,熵的应用已经远远超出热力学,统计物理学范畴, 而直接或间接地波及到其它诸如信息论,控制论,概率论,数论,天体物理学,宇宙论 乃至生命科学的各个领域.熵的概念的泛化和一再扩大,反复出现在许多描述和定律中, 这是克劳修斯所不曾料到的,它揭示了熵在描述物质世界中的普遍的重要的意义, 也证明了辩证法中关于世界普遍联系,动态发展思想的正确性和重要性. 熵的启动示: 1.熵形象地揭示自然界中的不可逆过程,就如向一杯水中注入一滴墨, 墨会自动均匀地扩散开,但让蓝色的墨粒自动凝结成一滴墨则是不可能的. 自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆.关于可逆,人们早在自然界 各种现象中做过思考和探索,从李白的"君不见黄河之水天上来,奔流到海不复还.." 到爱因斯坦的时空穿梭,还是薛定谔的量子力学方程,都对时间之箭的方向性 做出了感叹或探索.在传统的物理学公式中,时间是反演对称的,即把t换成-t, 公式不变,耗散论创始人普里高津将这种反演对称的物理学称之为"存在的物理学". 但事实上,这只是一种理想化的物理图景,自然界中的一切不是静态的, 一切自发的过程都是不可逆的.熵做为"发展"的指标,第一次把历史的观点 引进了物理学,为人们描绘了一幅动态的不可逆的不断演化的物理图画, 普里高津称之为"演化的物理学". 2.热力学意义上看,熵是不可用能的量度,熵增加的过程意味着系统的能量数量不变, 质量却越来越坏.转变做功的可能性越来越低,不可用程度越来越高, 即能量耗散了.就如同一个国家穷兵黩武,最终只能将自己的实力不断削弱, 侵略别国,推进的越远越深入.继续战争的能力就越弱, 如同拿破伦对多国开战并进攻俄国,,希特勒长驱直入进攻苏联, 日本深入中国战线,等等,这点在春秋战国及其后各朝历史中都有映证. 又如在证券市场,在市场投入仓的资金量维持一个相对波动定量时, 不断地扩容,增发,就是市场不断做功,熵值增大的过程, 早在2001年国家推出国有股减持政策时,我就曾在纵横发表的"市场的演化及市场 运行的边界条件"一文中指出,证券市场要维持生态的有效的生机和完善的功能, 就必须减少做功,或从外界向市场输入"负熵"--内资或外资,或提高公司业绩. 从这点看,国有股减持不能成功. 3.能量守恒定律中,熵的增加意味着能量转化过程的质量的耗散.(熵的广延性) 克劳修斯把热力学第一和第二定律概精辟地总结为两句话: 宇宙的能量守恒 宇宙的熵趋极大 如果说第一定律标志着宇宙的某种完美,第二定律则是得我们的宇宙不那么美妙. 能量在转换中品质越来越坏,每转换一次,就有一部分能量不可挽回地变成无用的 能而耗散,从这点回过头来看我们古人所说的"穷则变"与"天人合一"的辩证有机论 是多么的富有深远的含义: 人类对地球及周边环境的开发,无节制的大工业生产,过度的城市化, 包金贴玉的装修,都是一种大量制造负熵的过程, 不注重效率的生产必然产生大量对环境的污然(污染熵)和能源的浪费, 注意各种形式的造能工程而不注重对节能工程和科技的投入, 穷兵黩武必然导致国力空虚,财力亏空(如果不能有效抢夺别国财产资源做为 负熵来补回的话,由此点看对战争应有新的理解), 滥发新股导致市场负荷过重功能失调, 饱食终日必然造成大腹便便,疾患缠身..... 所有这一切,都映证了辩证法思想的正确性. 从这点看,老子提倡的节制人类的欲望在某种程度上有他的道理, 毛提倡的艰苦朴素,在贫富分化严重,社会资源分配不均,强调可持续发展的今天 也有他辩证法的实际意义. 总之,从熵的启示看,人做任何事,都不要太贪婪,否则事物就要向反的方向进行. 4.自然界系统做功导致熵的增加,其做功能力不断减弱, 系统要恢复做功能力,只有从环境中引入负熵. 负熵的概念是在研究生物的生长和进化问题中提出的, 早在1867年,玻耳兹曼就注意到生物生长过程与熵的增加过程相抗拒的事实. 他说:"生物为了生存而作的一般斗争,既不是为了物质,也不是为了能量, 而是为了熵!"负熵的首次提出,源自上世纪40年代薛定谔所箸的"生命是什么" (Negative 薛定谔指出,生命的特征是新陈代谢,新陈代谢使得有机体能够避免很快地衰退 为惰性的平衡态 他认为都不是,因为一个成年有机体所含物质,能量是固定的,纯粹的交换没有意义. 他认为是一个生命有机体在不断地增加它的熵,熵的最大值就是趋近死亡, 要摆脱死亡只有从环境中不断地吸取负熵.或者说,有机体赖负熵为生, 生命意味着有机体成功地消除其存活时产生的熵或吸入负熵. 围绕着薛定谔的负熵概念,理论界有着各种争议,但有一点是众所认同的, 那就是熵的减少对于生命机体有着重要的意义.现代文明就是千方百计想出各种方法, 在不违背自然规律情况下,减少系统的熵.正如老子所说,"道可道,道法自然." (三)现代混沌学理论对辩证法的实证意义 混沌学来自系统科学中的耗散自组织理论. 系统指由相互联系,相互作用的若干要素构成的有特定功能的 统一的整体.系统又称"体系","物系"或简称"系". 如元素周期系,银河系.恩格斯在"自然辩证法"中指出:"宇宙是一个 体系,是各种物体相互联系的整体." 系统科学是探索系统存在方式和运动变化规律的学问,是对系统本质的 正确反映和真理性认识,是一个知识体系. 诞生于上世纪40年代的系统论,与信息论,控制论一起被称为"新三论". 如今,系统科学的范围涉及很广,已经形成一个学科群,如系统论,信息论, 控制论,运筹学,博弈论,协同学,耗散结构理论等.系统科学以数学,物理, 化学,生命科学,工程技术,社会科学,思维科学等为背景,不同的系统理论 侧重以上不同领域的系统为研究队象.如突变论以数学为背景, 耗散结构以物理和化学为背景,米勒的理论为生命科学为背景,等等. 各门系统科学采取既联系又具特色的手段和方式进行研究. 系统方法要求人们,把研究对象看做是一个整体,把事物的普遍联系和永恒运动 看成是一个总体过程,全面把握和控制对象,综合地探索系统中要素与要素, 要素与系统,系统与环境,系统与系统的相互作用和变化规律. 把握住对象的内环境和外环境的关系,以便有效地认识对象和改造对象. 系统方法主要包括: 1.信息方法 2.控制方法 3.反馈方法 4.系统分析方法 5.系统模型方法 6.系统决策方法 7.功能模拟法 8.黑箱法 9.图式识别法 等等 总之,系统方法要求人们把认识对象和过程看做一个相互联系相互作用的整体, 并且尽可能将整体做形式化的处理.而对包含复杂关系,网络般交织的处理对象, 则将画面做组织化的科学抽象,从而具体地反映和把握世界. 系统具有整体性原则,动态原则,最优化原则,模型化原则. 这些前文已作介绍,不再多述. 混沌是非平衡自组织理论中的一个概念,是指系统处于宏观上无序无律, 微观上有序有律的状态.它和平衡态下的无序是不同的,只是从宏观上看, 它的有序度降低了,这样,一个非平衡系统(如果有三个变量)在其演化过程中, 随着外界控制参量的变化,可以循序经过无序--有序--混沌的历程. 正如前文所述, 一个系统按照它所处的运动状态,可以分类为: 平衡态,近平衡态和远离平衡态系统.系统论观点,自然界的系统是动态的 熵作为一个历史观的因子引入系统中,使得系统的演化不可逆. 不可逆过程对于系统有两个作用: 1.具有建设性作用,如激光现象中,光子打在活性原子上,不仅不被吸收, 反而激活了一个新的同样的光子,导致更加有序的结购产生. 2.具有破坏性作用,导致有序结构的破坏. 因此,不可逆过程的双向作用导致了自然物在演化中有两个方向: 进化方向和退化方向.进化指物质客体由无序到有序,由低序到高序的趋势和过程, 退化一般指物质客体演化中由有序到无序由高序到低序的过程. 这里的有序指表示客观事物或系统组成要素间有规则的联系或转化,如行星围绕太阳运行, 基因中的联结结构,无序则为无规则的联系或转化,如一盘散沙,云团,布郎运动. 自然界存在两类有序,平衡有序如晶体和非平衡态有序,如宏观有序, 需外界环境不断交换物质能量维持下去. 非平衡子组织理论提出许多新的科学思想和科学方法.对于科学研究有着重要的启示. 其中,由普里高津创立的耗散论,自上世纪70年代以来,得到广泛研究和应用,为探索 自然科学同生命科学以及人文科学之间的联系,建立了很好的沟通手段, 普;里高津也为此而获得诺贝尔奖. 组织和自组织是非平衡自组织理论的基本概念,一个系统的要素按着特定指令, 形成特定的结构或功能的过程叫作组织. 组织的形成可表现为时间结构,空间结构,或时空统一结构. 非平衡自组织理论也是一个学科群,包括耗散论结构理论,协同学,超循环理论, 生命系统论,资源物理学,突变论. 各种非平衡自组织理论尽管背景和对象差别很大,但它们都试图解决一个普遍性的问题, 有序与无序相互转化的机制与条件问题. 非平衡自组织理论认为:开放系统,在远离平衡的非线性区,通过引进负熵和正反馈循环, 经涨落或起伏,会从无序状态产生有序结构 非平衡自组织理论尤以普里高津的耗散结构理论为代表. 普里高津以熵理论为基本原则和出发点,把热力学从平衡态延拓到近平衡区, 又推广到远平衡区,探讨了系统演化的概念, 最常见的例证就是贝纳德花样实验: 置一薄层液体于两层水之间,盛于金属盘中,从装置底部加热,液层中出现的温度 梯度将使液体内部发生不可逆热传导.当液体上下层的温差小于某特定值时, 各层液体热传导没有整体的宏观运动,处近平衡态.当上下层温差超过临界值时, 系统进入远离平衡态状态,此时远来静止的液体会突然出现许多规则的六角形对流格子, 液体从六角形的中心向上流出,而从六角形的各边流下,液体空间的对称被打破. 整齐有序的结构产生出来,这就是箸名的贝纳德花样.这是由不可逆过程而导致的 自组织现象的一种类型.激光,化学振荡,大气对流,洋流,天空中的"云街"都是如此. 从贝纳德实验,我们可以看到耗散结构的一些普遍特征: 1.当温差不大时(系统的涨落),系统处于热平衡区附近,系统是稳定的, 2.继续加热使系统越来越远离平衡,达到某阈值时,系统将终于失去稳定, 并呈现出一种有组织的结构.这种新结构靠外界的能量和物质的交流来维持, 普里高津称之为耗散结构."耗散"即强调与外界有能量,物质交流的特性. 3.耗散结构与热平衡条件下的平衡结构(如晶体)不同,它只在远离平衡的条件下出现. 4.耗散结构是通过热力学不稳定来达到的一种自组织现象. 耗散结构的理论目的: 1.试图解释系统如何从无序走向有序 2.试图回答有序运动系统如何形成无序系统(如平流如何演变成湍流,有节律运动如何 丧失周期和节律,可用动力学介入,并计算未来如何会变成混沌态.) 近年来,非平衡自组织理论,研究了进入混沌态的三种道路: 1.倍周期分岔进入混沌,指系统经过周期加倍,会逐步丧失周期而进入混沌, 2.茹勒--泰肯道路通向混沌,两位科学家证明,当系统内有不同频率的振荡互耦时, 系统会出现新的耦合频率的运动,实际上只要出现三个互不相关的耦合,系统就会出现无穷多个频率的耦合,从而出现混沌.这与老子的道生一,一生二,二生三,三生万物" 这里三是关节点. 3.阵发混沌,指一个非线性电子电路,增加输入电压,系统到达混沌态,如继续加压,混沌区会突然出现有序的三分频态,这被称为"混沌区内的周期窗口",此时,再反向减少输入压, 到临界点时,系统会出现时而三分频周期,时而混沌,即阵发混沌. 当参数超过临界值时,系统则完全混沌. 非平衡自组织理论的现实意义: 1.探索世界的复杂性,如水流,气流,星系,经融,社会学等等非线性问题. 2.重新认识混沌,揭示奇异吸引子. 非平衡非线性耗散系统,演化的一种归宿是混沌. 混沌区相当于一个吸引子(如单摆系统在阻力下停止的那点),但它有个奇异特性, 系统进入混沌是确定的,但在混沌区内是不确定的,整个混沌区是稳定的, 但混沌区内确是活跃异变.区内两个靠得近的点,会随时间指数发散, 无法预测取未来行为和轨迹,此即被称为奇异吸引子. 3.非平衡非线性耗散系统一进入混沌,会出现分数维数,维数是几何学和空间理论概念. 点是零维,直线是一维...但混沌区内的奇异吸引子却是非整数维. 也就是说奇异吸引子四处游荡,各态历经,但又不能充满整个区域,区域内有 无数多的随机空隙.也就是分数维数,并独立发展成一门新科学,称分形几何. 4.非平衡非线性耗散系统进入混沌,会出现无穷嵌套的自相似结构,其花样用 计算计绘出后,比有序花样还美,称为"混沌美". 5.非平衡自组织理论还注重对时间过程的对称性的研究结果发现, 自组织的有序过程是对称动作和对称元素逐步减少的过程. 非平衡自组织理论的方法论意义: 1.扬弃传统科学追求简单性,必然性,决定论的目标和范式,探索复杂性 偶然性,非决定论强调综合性和整体性的研究范式. 2.强化不同领域的跨学科研究.特别是把自然科学和人文科学,物理学科和生命学科 结合起来进行研究,对于社会学,经济管理,城市管理,人口控制. 能源建设,农林牧渔的发展等问题,都有着切实的方法论意义. 产生于上个世纪中期的系统科学及其相关学科的出现,为各门具体科学对 复杂问题的交叉研究,也为科学方法论的探索提供了强有力的支持, 一来拓展了科学家的思路,二来促成了自然科学和社会科学的融合发展, 同时也为唯物辩证法提供了坚实的实证依据. 耗散论也好,协同论,突变论也好,研究的都是一个沿时间箭头不可逆发展演化 的系统,系统论的意义在于清晰地为我们刻化出自然界物质系统 构成,发展演化的过程和方式,从而揭示出自然现象,各门学科进而从中提练出 关于整个宇宙的运行规律.这对于人类认识自然改造自然有着极其重要的意义. 系统论的稳定动态统一原则,涨落有序原则,突变分歧原则,演化优化原则, 为我们生动地描绘了一幅自然界系统从稳定有序到失稳混乱再到重新组织结构, 再稳定的在矛盾统一中演化的优美画面. 系统论严谨科学实证的理论研究方法,对于映证辩证法的方法论的科学性和正确性 给予了强有力的佐证. 1.系统论的构成结构和层次结构,论证了世界物质本源的唯物观. 2.系统论的要素,系统,环境的相关性,论证了世界普遍联系的辩证法思想. 3.系统论中的非平衡自组织理论,论证了辩证法关于世界普遍联系,运动发展 螺旋上升的方法论思想. 4.系统论的稳定动态循环演化过程,论证了辩证法的变化观点及 唯物主义认识论否定之否定的原理. 5.系统论的突变论和分叉学说,论证了辩证法矛盾内因说. 6.系统论的涨落有序原则,论证了辩证法的主次要矛盾学说. 7.系统论的结构功能原则,论证了辩证法事物整体性思想. 8.系统论的信息反馈与涨落呼应原则,论证了辩证法主客观双向作用原理. 9.系统论的演化优化学说,论证了辩证法无限发展原理. 此外,热力学和其它自然科学及各学科交叉研究的成果,熵及其它科学实验 都为辩证法思想提供了丰富的来源和实证. 从分形学,仿生学,环境学及可持续发展对老子的道法自然的绝妙映证, 到热力学熵的概念与老子及当代辩证法关于事物正反两面对立互存,矛盾统一思想 的同出一辙,再到耗散论关于世界普遍联系,运动发展的演化过程的论述, 无不从实证的角度再次阐述了唯物辩证法思想的绝妙与正确. 美国核武专家,前白宫顾问乔治.考温在曾就科学研究的方法论问题论述道: "通往诺贝尔的堂皇道路通常是由简化论的思维取道的."也就是把世界分解得尽可能小, 尽可能简单.你为一系列或多或少理想化了的问题寻找解题答案, 但却因此背离了真实的世界,把问题限制到你能发现解决办法的地步. |
