熵定律在自然界和社会中的作用

熵定律在自然界和社会中的作用

——用《资本论》解决中国的内忧外患（61）

人类总是在不停地忙碌期望建立一个有序的社会，但在我们周围由无序引起的耗费却越来越大。熵定律不仅在自然界中起作用，而且也在社会中起作用。

第一，熵定律在化学中的作用

人们一直认为科学起始于观察，然而科学的进步不仅仅是靠观察得到的堆积如山的数据，而且还要对观察到的现象产生的原因提出为什么，并努力去发现产生这些现象的规律。化学家总是想弄清某些自然发生的反应和变化的原因，为什么当反应的一方或双方通过某些诱因——如在反应中增加某种形式的能量，就可停止或进行反应。例如，冷氢原子会产生结合反应，而热氢原子却会产生分裂反应；磷暴露在空气中会燃烧放出磷光火焰；波特认为这是“自然界不惜任何代价增加熵的总量的趋势所决定的。”化学家按照热力学第一定律和第二定律，为所有化学反应过程找到了理论根据。将第一定律即能量守恒定律应用于化学，可说明在所有化学反应过程中，整个系统（化学反应物和产物）和它所在的环境的能量总量保持不变。多年以后，经过热力学研究和试验，化学家发现，可依据第二定律对化学反应发生方向做出合理的解释。自然环境中趋向于增熵的自然趋势是支配所有化学行为的最高准则。化学家计算出了各种自然发生的化学反应过程熵的全部变化。在所有化学反应中他们发现（系统内和外界）熵总是处于增加的状态。我们所说的化学反应不管是自然发生的还是人工合成的，结果都一样：会出现一个热力学系统的增熵。这意味着我们生产和使用的化学品越多，就越发增加我们环境中的无序。

第二，熵定律在环境问题中的作用

环境污染问题是第二定律作用的结果。第二定律告诉我们，自然界存在一个从有序——低熵，向无序变化的永恒趋势。一般说来，粒子和分子不喜好被限制，假设可以有一个选择，它们更喜欢自由地在周围漫游。例如，我们把所有空气从一个密封的房间里抽走，将其压进小瓶中用瓶塞塞好。如果拿走瓶塞这房间里马上会充满了空气：因为气体分子了不呆在瓶中，而是自由漫步在一个更大的空间。波尔茨曼解释了这个现象，空气分子在大空间里能够分布的方式比小空间多，气体分子分布方式越多它的统计概率就越大。因为一集合体的统计概率的对数，是该集合体熵的一个量度标准，用波尔茨曼推导式计算结果表明：空气的熵在房间比在瓶子里大。这一点与熵定律——总趋势随无序的增加而增加相符。

熵增加的另一个途径是：容积不变，分子运动的方式类型发生变化，可引起增熵。固体比液体的熵低，而液体的熵又比气体的低。因为在固体状态下，分子自由运动的方式类型最少，而气体分子自由运动方式的类型最多。在某一特定的空间内分子的数量增加也可增熵。把这一原则应用到人类社会，我们整个世界的熵正随着全球日益膨胀的全球人口的增加而增加就很好地理解了。污染就是各种有毒气体做为熵在大气中的扩散。

第三，熵定律在人类生活中的作用

人类生活需要能量，在不断向人类系统内部输进能量也会引起该系统熵的增加。因为加进能量后，分子运动的速度加快了。可见随着人类不断发展技术，使我们运送物质、货物、化学品、武器、人、机器和通讯的速度越来越快，我们的世界也日渐转入从未有过的高熵状态。人类也可以被分成低熵和高熵两类。高速、高能的人是高熵人，这些人想要做的事情太多，把越来越多的事物塞进越来越不够用的时间里，他们生活在快速车道中，结果，快速、高熵的生活方式开始对人的健康造成损害。这种损害可能是溃疡、突发心脏病、精神崩溃等病。医生劝这些人放慢生活节奏，降低生活熵值，以低速、低能的方式生活。

热力学告诉我们，对某一系统进行增能的方式是加热，加热会使分子运动加快。从而达到系统增熵。在热力系统中，一个较冷的系统比一个加热的系统更有序。一般认为激昂、兴奋的局面就是混乱、危险的开始。热是度量一个系统内部无序和能量的量。因此，在人类的经济活动中，过热经济，即经济整体处于热的状态。当任何一个系统发生过热而失去控制时，我们就用“冻结”来表示为使其进入有序状态而采取的一项措施。

热力学还告诉我们，分子分裂或分解是系统增熵的另一条途径。自然界存在一种分子分裂和分解的趋势，这一趋势也存在于人类社会。当一个社会的离婚率增加时，整个社会的熵将上升，家庭破裂越频繁社会无序状态的程度就越高。

第四，熵定律在制造业中的作用

熵定律并不妨碍自然界创建像钻石和水晶石这一类高度组织化、有序化的物质。当大自然在做一些功消耗一些能量创建晶体的同时，给环境带来的无序比在晶体内的有序更多。晶体形成之后，热力学系统的熵更大。像自然界一样，人类能够制作晶体和钻石，而且可以和自然造成的比美。值得提醒的是，在制作过程中，带给我们环境的无序多于制作的钻石内部的有序。同样的，当人类从铜矿中提炼铜，制作铜片时，矿石的无序（熵）的减量不能抵消环境中由增熵引起的无序增加的那个量。如金矿的开采，最后炼成的黄金，仅仅是开采量的0.00033%，其余的最后都成为环境中毒性很大的废弃物。根据第二定律，只要我们愿意以增加整个世界的熵为代价，我们就能够从无序中建立有序。不管人类是自然地从有序走向无序还是从无序中创建有序，都必须做功、耗能，因而宇宙间会增熵，现代人类一直在快速地增加他们整个热力学系统的无序，同时又一直相信：它们在另一无序环境中创造有序。

第五，熵定律造成的总结果是“过热死”

17世纪后期牛顿发现了万有引力定律，描述了宇宙间所有物体的运动方式。按这个定律，宇宙万物的每一个粒子与另一个物体的每一个粒子通过万有引力互相作用。两物体之间的引力大小与两物体的质量成正比，与两物体之间的距离的平方成反比。如果一物体的质量加倍，那么，该物体对另一物体的引力也加倍。如果两物体之间的距离加倍，两者之间的引力就减少到原来的1/4。牛顿的发现引导出一幅“像时钟一样有规律”的宇宙现象。但是，熵定律大大改变了我们对自然的看法其中包括万有引力对宇宙天体运动的解释。按牛顿定律，万有引力所产生的力或能量具有无损耗的性质。但第二定律对自然机械论给予了致命的打击。第二定律抛出了熵、自然过程不可逆、物质-能量消耗概念，使机械论的世界观无法承受，退出了历史舞台。开尔文指出，当一个不可逆的过程产生热时，就存在能量的消耗，完全恢复到它的初始状态是不可能的。开尔文阐述了自然界的能量在逐步消失的事实，总有一天地球将不再适宜人类居住。几年后，我们的自然界总是有序的的幻想再次受到亥姆霍茨的当头一棒，他宣称，宇宙正面临“耗尽”其所有、最后达到最大熵的境地。到那时，所有能用的能量都将耗尽，所有的温度将消失，宇宙将达到绝对完全一致的状态，我们将走向宇宙的“过热死。”

第六，人类与熵定律的抗争

热力学定律分为三类，一个孤立系统与外界既无能量交换也无物质交换。这适合于宇宙，因为宇宙包罗万象不存在什么“外界”。当能量——而不是物质——在系统与系统之间进行交换就是第二种形式，即“封闭的热力系统”。当系统熵与外界环境熵的增加接近最大值时系统处于平衡，熵停止产生。实际上，地球和太阳都是封闭的热力系统。还有一种系统形式——与外界既能交换能量也能交换物质的开放系统。熵定律概念也能扩大到这种开放系统。在这个系统中整个熵的交换必须区别两个概念：1，出现在系统与环境之间交换的熵；2，系统内产生的熵。这个熵必须是正数。

人总是要活动的。从科学概念看，人类是一个符合热力学定律的热力学系统。我们从环境中吸收化学能形式（食物和氧）的能量（Q）,并通过散步、跑步，或做其他体力活动做功（W）。按照第一定律，如果所有能量平衡（Q-W）后是正数，我们会增加一些体重。如果超重，我们应该减少热卡，或做更多的工作。尽管人类被经常比作热机，但我们在许多方面更类似于燃料电池，是一个恒温热力装置，除了做功我们还力争保持恒温。因此，通过化学反应——食物与氧结合所释放的能量，不仅被用于做功而且也可将热传递到外界环境。

第一定律肯定适应于人体的。一天中，如果通过食物氧化产生的热卡超过身体支出的热卡，这部分热卡将主要以脂肪形式储存在人体内，一个健康的人体内储存能量平均大约是75000热卡。如果我们不动躺在床上，仍会有大约每天1000卡的速度释放出热量（每小时43卡）。不呈现热力平衡状态的宏观系统也将依照第二定律自然地增加它的熵。缓慢地趋向更无序状态并衰退且趋向一种惰性的平衡。因此，需要消耗一个恒定的功（熵产生）来避免宏观系统迅速衰退进入一个惰性平衡，并将其恢复到适当状态。动物体通过吃、喝、呼吸，对植物而言，是通过吸收、合成与分解，来避免衰退。这个过程叫新陈代谢，即变化或交换。

与摩擦机械系统不同，开放热力学系统在没有熵增加的情况下是不能运转的。因此，生物体内发生的循环过程，就像自然界其他生态循环一样，之前将伴随着一些熵的产生，在每个循环结束时，不论是这个系统还是系统周围环境都不可能再完全准确地回到它的初始状态。当一个生物体感到不安时，它的熵生产量会增加。但是，这个生物体系统会通过回复到某种状态使其熵降低到最小值的方式进行调节。如果体温升高，身体衰退和坏死的速度会随着身体内大分子变性的增加而增加。在一定生理运行范围内，体内可作出反应使体温下降，熵降到最小。这个过程称为负反馈。如果体温超过生理运行范围，系统失去控制——便走向正反馈。

薛定谔提出了一个基本问题：一个生命有机体怎样才能避开死亡？它是通过不断从周围环境吸取“井然有序”，并以其体内的熵增值做为回报的方式来避开死亡的。这就是负熵。薛定谔认为，按照波尔茨曼的公式如果Ω“是量度无序的量”，它的倒数1/Ω,可以看成是“量度有序的量”。因为1/Ω的对数是负Ω的对数，薛定谔就把波尔茨曼的公式改写成-（熵）=KIn(1/Ω),薛定谔的公式告诉我们，负熵总是一个负数。重要的是人类不能吸收比他生命期生产出来的还要多的食物的方式，来使熵向相反的方向变化。维持我们生命的新陈代谢过程本身会产生熵，这个涉及不断增加熵的生命过程应是受热力学第二定律支配的。生物体为免于自身死亡的抗争，使其必须从它的外界环境中吸收高度有序的——低熵——物质，用这些物质去维持有序。反过来生物体因此要向外界环境释放大量退化形式——高熵的物质，这便是生命有机体为维持生存和进化而进行的高熵与低熵之间的交换。

第七，熵定律在知识领域中的作用

在日常生活中，现代人类确确实实耗费了一定数量的能量用来获得和传播知识。科学数据的观测、获取、保存和一些查询结果的传播，需要做功，通过这些运作过程，功被转换成知识，因此，我们必须为获得、积累和组织我们所储备的知识而消耗能量，由此引起增熵。

随着能量不断地被吸收进我们的信息收集运作过程，知识体系的容量将不断扩张，变得越来越复杂，这时它又反过来从我们这里吸收更多的能量。随着时间的推移，我们需要付出更多的努力，需要动用更多的科学家和知识分子来推进知识进入更高的复杂层次。我们投入到某个系统的能量越来越多，而我们得到的产出越来越少，因为随着系统的熵的增加，这个热力学系统日益膨胀，我们对它的不了解程度也在增加，经济学家称这种现象为收益递减率。对此，我们通过专业化的方式来抗争知识的复杂化和高熵化，即把知识分成多个领域，使我们的投入关注力的领域越来越窄，以减少知识的复杂化、高熵化程度，但反过来又导致增加了各专业之间人们进行信息交流的难度。

知识的早期形成过程像宇宙一样：由最初集中、简单的低熵状态向漫射、复杂的高熵状态进化。例如，早期的物理学定律都集中在牛顿的力学定律之中，后来引入电磁现象、热和热力学、统计力学、原子核物理学、量子力学和相对论、基本粒子物理学，直到最新出现的——爱因斯坦梦想的一种可能将自然界所有4种力统一称为“大统一理论”——弦理论。

不可逆过程概念也被应用到我们知识的积累过程。随着知识的扩张，它的熵也不可逆的增加。因为我们不可能使我们的知识基础——整个的基础退回到过去，使我们的知识独自到一个世纪前：不知道E=mc2,也不知道物质转化能量的技术。结果，我们所获得的每一条只是，特别是有关自然界内部运作方式的知识，再加上该知识应用到实际中所需要的知识都是一个从低熵到一个高熵的热力学发展过程。应用知识也将不可逆地改变我们的热力学系统的状态。随着时间的推移，应用知识向我们索取的才智将越来越多。

知识的传播就是教育。在现代社会里，教育系统在把我们的社会从一个简单实体向复杂实体的转化中扮演了一个重要的角色。教育系统向一个简单、低熵的人类社会灌输日益复杂的思想、程式和理论，使其转变为高熵、复杂的人类社会。我们投放到教育系统的能量越多，它就会扩展得越大，变得越复杂。随着教育系统产出的扩大，社会的熵相应递增加。受过教育的人发明工具、机器和技术不仅能增加我们所生存的世界的复杂程度，而且甚至能增加我们生产更复杂工具、机器和技术的生产能力。例如过去用计算尺，现在用电子计算机。首先是科学家和工程师们变得依赖计算机。然后其他专业逐渐加入这个群体，经济学家、社会学家、政治学家和分析学家开始运用计算机产生越来越多的数字，或“有关统计表”。用通过民意测验、人员流动、财政记录、测量等得来的数据，开始建立复杂的社会模型：在经济学中建立“经济计量学”，在历史学中建立“力量历史学”和在行为学中建立“心理测量学”。

随着知识的积累越多，知识的无序状态就越明显。我们的知识——已经记录在我们的大脑、书本、杂志、报纸、出版物和计算机里的——我们对自然、对我们自己，对我们的发明了解的所有知识，像其他自然过程一样，也遵循无序渐增规律。随着时间的推移，我们积累了越来越多的错误信息。错误信息并不总是能够得到更正，自然而然，随着报纸、杂志、书籍、计算机、收音机、电视以及所有记录和传播信息的媒体，这种偶尔出现的差错，知识领域的无序因此而被放大和传播。我们的教科书也不例外。一些教科书出现实质性错误、误传科学基本概念，非常混乱。错误的范围从单纯的过于简单到严重程度升值连牛顿本人对他的定律的误解都来自从书本上学来的“事实”。而且，这种无序状态像“蛆”一样繁殖，因为在唯利是图上，越新的教科书与它的前辈——由掉进钱眼的书商制作出来的产品——跟得越紧。造假丑闻包括一些最有声望的高校、实验室和医院，他们伪造实验结果，特别是在生物医学领域。

知识的无序从何而来？马丁说知识的无序起源于高等教育。夏尔丹说“人的最基本的品质，所有完美在于他的第二层次的悟性天赋。他不仅知道，而且知道他本人所知道的。”虽然是否意识到“知道我们所知道”这一点固然意义深长，但是否意识到我们的基础知识所处状态，这比前者的意义重要得多，我们的知识不仅处在一个高熵状态——无序——而且它的熵正在迅速增加，这正是我们现在应该意识到的。

劳动者2017年3月1日