第三類永動機

別萊利曼在《趣味物理學》中寫了不少關于永動機的故事。有一個人聲稱建成了永動機，呼吁專家去鑒定。后來真的去了一伙人參觀，那人抬出來一個看起來挺復雜的裝置，費了幾個牛的力氣，把機器發動起來。遺憾的是，只轉了一小會兒，就停了下來。那人接著折騰，折騰到最后，很不好意思地對大家說：它總是發脾氣。(別萊利曼，1979)

第一類永動機和第二類永動機

永動機是人類的一個夢想，而且是建立在科學之上的夢想——雖然現在被看成是偽科學了——因為所有的永動機探索者在設計他們的機器時，依據的都是某種科學的原理，而不是神秘的超自然力。最初，這些科學愛好者是想造出“東東1”：一個循環系統，能夠實現自循環，并且在每一次的循環中，除了產生維持其自身運轉的能量，還多少有點兒富裕。這樣，就可以源源不斷地向系統之外輸出能量，不光是人，那些大牲口，什么騾子啊，馬啊，都可以歇歇了。這個東東將給野外科考隊員提供極大的方便，無論走到哪里，帳篷支起來，把東東1一架，所有的燈就都亮了，比電池方便多了，而且環保。當然了，在家也可以用啊，無論是水電站還是核電站，都不用建了!夢想固然很好，不過，已經創造了很多奇跡的科學，這回不靈了。永動機愛好者幾乎嘗試了所有的科學的現象，什么電啊、磁啊、毛細現象啊；什么杠桿啊、滑輪啊、斜面啊，沒有一個成功的。再到后來，物理學給出了一個能量守恒定律，這個定律宣判：東東1造不出來。

能量守恒定律的現代表述是這樣的：“能量既不能創生，也不能消滅，但是可以從一種形態轉化成另一種形態，并在轉化的過程中，保持總量守恒。”顯然，這個定律與我們一系列古老的道德是一致的。一分汗水，一分收獲；平時多流汗，戰時少流血；不經歷風雨，怎能見彩虹……總而言之，吃白食，不勞而獲，是不可能的。連張天翼的寶葫蘆也遵循這個規則：物質不滅，我又不能憑空變出來，只能到別處去偷啊!

能量守恒定律現在也叫做熱力學第一定律——可見熱力學不只有一個定律——我們簡稱它熱一律吧!剛開始的時候，總有人不相信它——到現在還有人不信，所以接著試，屢戰屢敗，屢敗屢戰，總有人不甘心。不管怎么說，永動機是個多么美好的夢想啊!王力雄在小說《永動機患者》中就寫了一個執著的農民，他就是要造永動機，他相信，永動機開轉之日，就是家鄉人民脫貧之時!

美好的夢想要靠科學來實現，于是又有人想出“東東2”，它能夠吸收空氣(或者海水，或者別的東西)中的熱量，轉化成電能(或者其他可用的能量)，轉化出來的等于吸收過來的，所以不違背熱一律。東東2每轉一圈，就會使環境的溫度下降一點點，同時使蓄電池滿上一點點。顯然，東東2尤其適合在夏天的房間里使用，那就是一個不但不耗電，而且能發電的上好空調啊!我們可以用東東2在夏天的時候降溫、發電，把發出來的電存起來，到冬天用來燒電暖器。這就相當于把夏天的熱用到了冬天。如果再輔助以某種定時裝置，我們就可以自動化地夏熱冬用，多么以人為本的科學技術啊!一想到這兒，我都忍不住笑出聲來!

假如我們把東東2放到大海中，大海呀，多么大啊!只要海水的溫度降低一度，把釋放出來的熱量變成電能，就能讓人類用上多少萬年啊!也許有人會擔心，這樣下去，海水的溫度會不會越來越低，最后凍上?當然不會了。因為有熱一律啊!我們使用的能量，不管來自哪里，最后總是要耗散成熱能的，就會提高空氣的溫度，會通過熱傳導、熱輻射、熱對流，把海水的溫度再提上去。然后，我們就可以讓東東2接著轉，什么大牲口、小牲口啊，水電站、火電站啊，都可以歇著去了!

然而，物理學又給出了一個“熵增加原理”，消滅了東東2問世的可能性。熵增加原理說：“能量的轉化是有方向的!”這個方向，按照里夫金的說法，就是從有用的，變成無用的；從能用的，變成不能用的。(里夫金，1987)這個原理就是熱力學的第二個定律，我們簡稱它熱二律。熱二律有很多種表述，有一個直接針對東東2的表述是這樣說的：“不可能從單一熱源吸熱作功，而不對環境造成影響。”比如我們可以用一種叫做空調的裝置從空氣中吸熱，降低室溫，但是這個過程不可避免地要對環境造成影響，一方面要有電能輸入，另一方面要把廢熱排到室外，升高室外溫度。

“熵”這個詞中文里本來沒有，是造出來翻譯entmpy的，簡單地說，它是無序的量度。熵越高，無序程度越高。比如一塊冰化成水，熵增；再化成氣，又熵增。所謂熵增加原理，就是說：一個孤立系統的熵不能減少，而只能增加——現實中的情況就是如此；或者不變——在理想的可逆系統的情況下，這在現實世界從未發生。熵增加原理也給出了時間的方向，這就是系統自發演化的方向。比如你從冰箱里取出一塊冰，放在手上，冰很快會化成水，水又會化成氣；同時，屋子里的溫度會降低一點點兒，濕度會增高一點點兒。這個過程是一個人所習見、人所共知的正常過程，這個事件的序列就給出了時間的方向。反過來，如果你看到了它的逆過程：你的手上忽然浮現出一顆水珠，水珠越來越大，然后變成一個冰塊，同時，室內的溫度增高一點點兒，濕度降低一點點兒，你一定會詫異萬分，不是屋子出了毛病，就是你在看電影。這個逆過程雖然不違背熱一律，但是違背熱二律。

熱二律是一個重要的定律。《兩種文化》的作者C．P．斯諾把它和莎士比亞相提并論。美國物理學家惠勒則認為，到了二十一世紀——也就是本世紀了——誰要是不知道熱二律，就算不上有文化。他們之所以沒有專門說熱一律，那恐怕是因為熱一律已經成為常識了。據說還有一位物理學家這樣解釋：“根據熱力學第二定律，你不可能不輸不贏；根據熱力學第一定律，你不可能贏。”

理想單擺、生物圈2號與第三類永動機

根據這兩個熱力學定律，永動機也被分成兩類。違背熱一律的東東1被稱為第一類永動機，違背熱二律的東東2被稱為第二類永動機。這兩類永動機在科學共同體內部已經達成共識——造不出來。不過，人們心中普遍還有一個永動機之夢，我稱之為第三類永動機——“東東3”。

讓我們先回到永動機的字面意義。簡單地說，永動機就是永遠運動的機器。那么，一個不需要外界能量和物質輸入而實現物質和能量自循環的裝置，就是一個永動機嘍!比如一個理想單擺，在無摩擦的理想條件下，就是一個永動機!它的勢能和動能不停地轉化，沒有任何耗散，在系統內部實現能量的自循環，并且循環往復，以至無窮。當然，在現實世界中，理想單擺的理想條件是無法滿足的，因為總是有摩擦存在，所以在勢能和動能的轉化過程中，熱耗散不可避免。所以我們會看到，無論擺軸多么圓滑，擺的振幅都會越來越小，直至停止。

然而，如果我們從外界輸入能量，補充耗散掉的能量，比如給這個單擺裝一個太陽能發條，這個單擺是否可以永遠運動下去呢?

按照現在的科學結論，我們這個地球已經存在了46億年了。相信每個人小時候都問過：雨是哪兒來的，河水是哪兒來的?通過小學自然課程，我們也會建立起各種物質循環的概念。海水蒸發為云，被各種季風帶到全球各地，下降為雨雪，成為河流——這是水的循環。人和動物吸入氧氣，呼出二氧化碳，植物利用太陽能將二氧化碳中的碳固定下來，放出氧氣——這是氧氣和二氧化碳的循環。在我們這個地球上，有許許多多這樣的循環。人們普遍相信，只要有太陽在天上照耀，這樣的循環就可以永遠進行下去。

1990年代，美國人在亞利桑那州的沙漠里進行了一項實驗，實驗裝置是一個碩大的溫室，占地一公頃，在里面預先設置了河流、樹林、草地、動物、人……總之，一切都是盡力模仿地球的生物圈而設計的，所以該溫室被命名為生物圈2號——至于1號嘛，他們用來命名地球本身了。實驗的設計者希望生物圈2號中的空氣、水，動物、植物和人能夠在陽光的作用下實現物質的自循環。

這樣一種循環的理念我們常常能夠遇到。比如人們設想在航天飛機上放置一些植物，便可以在一定程度上實現氧和二氧化碳的自循環。又據說航天員的尿不能扔——好像也沒有地方扔，經過處理后還要進入航天員的飲用水系統，這是水在一定程度上的自循環。

我們現在的所謂現代化的生存方式，也或強或弱地建立在這種自循環的理念之上。如前所述，現代文明就如一個馬達，輸入低熵狀態的能量和物質，輸出高熵狀態的垃圾——廣義的理解，包括固態的、液態的、氣態的垃圾和純粹的耗散熱。文明越發達，馬達的功率越高，制造垃圾的速度越快。我們身邊的一切物品諸如手機、手表、電腦、電視、洗發液、洗滌靈、衛生巾、衛生紙等等等等，歸根結底都是來自低熵狀態的礦藏、原油、森林和天然水體……而考察其最終的去向，必然是高熵狀態的垃圾!所以，每一個大城市的周圍都有必然存在著若干巨大的垃圾填埋場。我們所謂的現代文明，就建在垃圾堆的旁邊。

對于這個推理，一種常見的質疑是：你沒有考慮垃圾的處理。比如有些人就強調，垃圾是放錯了地方的能源和資源。言外之意，將來會發明出某種新的技術，可以把這些垃圾逐一回收，提取出有用的物質，循環利用。在這樣一種物質自循環的理念下，文明馬達的速度就取決于人類所能開發出來的能源，能源越多，這個自循環系統運轉得越快，人類就能享受越多的物質。

這正是第三類永動機的美麗夢想!一旦這個未來的技術被開發出來，地球就變成一個東東3。

讓我們回到生物圈2號。像生物圈2號這樣的系統，可以稱為半孤立系，它與外界沒有物質交換，但是有能量交換，人們希望外界輸入的能量能夠維系其內部物質的自循環。這正是東東3的一個樣本。東東3違反的同樣是熱二律，只不過比較隱秘，我們需要對熱二律進行仔細分析才能發現。

熱二律不僅規定了能量轉化的方向，也規定了物質轉化的方向。按照里夫金的說法：物質總是從可用的變成的不可用的。如果說東東2與熱二律的能量轉化方向相矛盾，東東3就與熱二律的物質轉化方向相矛盾。且讓我們從物質的角度，重新考慮熱二律。這是個被物理學教科書忽視的一個角度，我就不記得當年的熱力學習題中有這樣的題目。從物質的角度定義熵，也可以從其微觀量子態的數目人手，這里不做物理上的具體闡釋，只做一些說明。簡單地說，物質從聚集態變成離散態，是一個熵增的過程。比如把一大塊單晶硅切割成若干小片，雖然物質總量不變，但是熵增加了——即使我們假定對單晶硅的切割不需要能量，也會導致熵增——這部分熵增與所涉及的能量無關，可稱之為物質熵。反過來，從前考慮的熵可稱為能量熵。當我們把這一片片單晶硅分散到一個個電器之中，使得硅片與其他物質進一步混合在一起，會導致熵的進一步增加。

最簡單的自循環系統

回到單擺這個例子上來，如果有外界能量不斷輸入，單擺是否可以永遠運轉下去?對于這個問題，以前的物理書上沒有說過。很多人雖然沒有認真地想過這個問題，但是本能地以為，可以!如果僅僅從能量的角度考慮，確實可以。但是，如果我們從物質的角度考慮熱力學第二定律，就會發現，不可以!

因為單擺將在擺軸磨斷的時候停止運轉。

這個回答有點抬杠的意思，但是，如果我們考慮一個現實的有動力單擺，就無法回避這個結果。因而，要想使單擺這個循環系統持續運轉下去，除了輸入低熵狀態的能量，還要輸入低熵狀態的物質——擺軸。也許有人會說，我們可以把擺軸的粉末全部搜集起來，鑄造一根同樣的單擺。但是，這個熵減的過程不但需要能量，還需要新的裝置。于是我們必須把系統放大，將制造擺軸的裝置也包括進來。而這個裝置，與單擺同樣，即使有能量持續輸入，也有停止運轉的那一天。問：這個裝置是否有可能自我修復呢?答：絕無可能。對此，侯世達(Douglas R.Hofstadter)在他的巨著《哥德爾、艾舍爾、巴赫——集異璧之大成》有過詳細的說明，大意是說，即使一個能夠自我修復的儀器，也必然要有一個核心裝置是不變的，而這個裝置，也是會壞的。(侯世達，1996)

而且，把擺軸的粉末完全搜集起來，重新鑄造一根同樣的擺軸，雖然粗看起來很容易，但是在幾個輪回之后，所需要的能量就會達到無窮大。那是因為，物質的擴散是分子熱運動的必然結果。有一個經典案例是這樣的。把一個鉛塊和一個銅塊的表面打磨光滑，壓在一起，放到銀行的保險柜里，一年后拿出來，發現銅中有鉛，鉛中有銅。擺軸的物質從低熵的聚集狀態轉化成高熵的離散狀態，是熱二律的必然。相信很多人都看過汽車修理廠門口的牌子：加氟!無論空調中的管道造得怎樣密封，也不可能讓氟里昂之類的制冷劑在里面永遠循環，而是必然會有氟的耗散，所以必然要加氟。這就是說，即使對于空調這樣的物質循環系統，只有能量的輸入也不能使之持續運轉，還必須有聚集狀態的低熵物質持續輸入。連密封的制冷劑都不能完全循環，垃圾的回收更是不可能達到100％。

對此，曾經有一位老同學和我抬杠，說他可以用掃描隧道顯微鏡把鉛中的銅原子和銅中的鉛原子一個個地捏出來，放回去。然而這樣一來，我們必須把掃描隧道顯微鏡這個更復雜的儀器加入原來由鉛塊和銅塊構成的簡單系統之中。一旦我們需要動用掃描隧道顯微鏡去搜集擺軸的粉末時，這根擺軸要比原來的成本不知道要昂貴出多少萬倍。而當我們要動用掃描隧道顯微鏡去回收生物圈2號的垃圾時，垃圾處理所需要的能量就會迅速超過系統所能供應的全部能量，造成系統的崩潰!

生物圈2號是一個悖論，僅有能量輸入，還不能使其中的物質實現自循環。而一旦加入了新的物質，又算不上是物質的自循環了。換一句話說：無論系統有多少能量輸入，物質的自循環都是不可能的!在物質的循環過程中，必然會有一部分物質耗散，成為高熵的垃圾，使得參與循環的物質越來越少，最終導致系統的崩潰!所以，當我聽到生物圈2號失敗的消息，絲毫不覺意外。因為它最初的理念已經違背了熱二律!雖然也有模有樣地轉了幾圈，幾年之后也就不好意思了。

我們還可以和另外一種系統——生物體相比較。生物體是大自然演化出來的效率最高的循環系統，我們每一個人既同外界交換物質，也與外界交換能量，是一個完全開放系統。而即使這樣的系統，也會在系統內部積累越來越多的垃圾，使得系統老化，直至崩潰——死亡降臨!

當下的科學與未來的科學

既然生物圈2號是注定不可持續的，那么生物圈1號呢?如果我們從辯證的觀點看，有生必有死，連太陽系乃至整個宇宙都是要崩潰的。很多人正是出于這一點來強調人類有理由改造自然，而無須保護自然。這個理由顯然是無力的。就如人早晚是要死的，但是不能成為殺人者殺人的理由。

在完全自然的環境中，生物圈1號的物質循環已經持續了46億年，我們不知道它還會循環多久。在以往的時代里，人類的活動相對于自然本身的循環來說，只是一個無窮小量。但是，工業革命之后，尤其是二十世紀之后，人類的活動已經大到足以對自然本身的循環構成影響了。人類采礦、修建運河、水庫，改變了地球上的物質聚集狀態，也改變了自然本身的循環方式。如果我們把生物圈1號在46億年里的循環視為準閉環的話，那么，人類目前的活動把準閉環變成了開放的鏈條——一端是低熵狀態的礦藏、森林、天然水體，另一端是高熵狀態的垃圾。

如前所述，垃圾回收的效率不可能達到百分之百。即使能源問題可以解決，垃圾問題仍無法解決，相反，會導致垃圾問題更加嚴重，因為能量輸入越多，產生的垃圾也就越多。

對于我這樣一種悲觀的結論，很多人表示反對。常見的反對是這樣的：地球不是孤立系，而是一個開放系，因而熱二律不成立。

然而，地球并不能算是一個開放系，和生物圈2號一樣，是一個半孤立系，當然你也可以說它是半開放系。也就是說，它與外界有能量交換，而沒有物質交換。所以，所有從生物圈2號中得到的結論，都適用于生物圈1號。或許有人反駁，物質交換也是有的，比如隕石!如果這樣想，我倒是要問一問了，難道我們要把人類的命運寄托到隕石上嗎?

隕石不能拯救地球，使地球上的物質實現自循環。顯然，相對于地球來說，隕石實在是太小了。而尤其重要的是，如果生物圈中的物質能夠實現自循環，其要求外界所輸入的物質是要符合一定的條件的。正如一座城市，它需要外界進入的物質是特定的，比如糧食、清水、煤炭等。而隕石顯然不能滿足這一要求。

也有人希望相對論能夠拯救東東3，使之實現物質的自循環。由于愛因斯坦著名的公式E=mc2，人們普遍認為物質和能量可以相互轉化。原子彈就是常常被作為一個重要的例證。事實上，由于這個公式，我們中小學時學的能量守恒定律和物質不滅定律已經合而為一了。根據狹義相對論，很多人可能認為：只要外界能量輸入得足夠大，我們就可以憑空制造出足夠的物質。這也是人類的一個美好夢想，古人叫做聚寶盆!其實只要算一下就知道，人要是靠這個東西過日子，用一千個太陽做能源也不夠。還有人會期望，做一個高級反應爐，把垃圾塞進去，變成基本粒子；再把這些基本粒子像搭積木似的，搭成勺子、大米、手機等一切我們想要的東西。這無非是聚寶盆的改裝版。即使我們相信未來的科學能夠造出這么個“東東4”來，但是在此過程中產生的巨大熵增，釋放出的巨大熱量，會把東東3燒成灰燼。為此，還需要配備強力的排氣裝置，安在東東3的玻璃墻上，把東東4釋放出來的熱量排到外面去。不用算我就知道，就算比奔騰8芯片的排氣扇還猛，也不能做到。就算做到了，很快就把生物圈1號也就是我們的地球也燒完了。

為了保住地球，為了提高地球的散熱能力，必須給地球裝上超大功率排氣扇。——天啊，這工程，那可比什么給南極裝空調厲害多了!

要不然，咱們用火箭吧，把這些熱量打包，發射到太空上去吧!還能促進地球和平呢!

我們可以假設地球上實現了常溫核聚變，從理論上說，人類從此擁有了無窮多的能量，可以做任何想要做的事情。但是，這個能量無論怎么使用，是做聚寶盆也好，做高級反應爐也好，最終必然轉變為熱——第四種形態的垃圾，那時，地球就會像超高速計算機芯片一樣，將面臨嚴重的散熱問題!

我們可憐的地球，在接受太陽能量的同時，也向太空釋放著熱量。在天上只有一個太陽的時候，僅僅因為我們挖掘出地下蘊藏的千百年前的部分太陽，地球的熱平衡已經出現了一些問題——全球升溫。核聚變相當于我們在大氣層內有點起來N個太陽，地球的散熱就更成問題了。

我們知道，熱交換有三種形式。傳導、對流、輻射。從古至今，地球散熱的唯一途徑是熱輻射。而熱輻射的功率只與輻射體的溫度有關!也就是說，要想提高散熱能力，就必須提高溫度!于是我們就陷入到一個悖論之中。

所以我強調，即使能源問題能夠解決，垃圾問題會更加嚴重!

相對論不能拯救東東3，常溫核聚變也不能。

還有人指出，在宇宙尺度內，熵增加原理未必成立。引力可以導致熵減，最后宇宙未必歸于熱寂。第一，這些理論都還處于猜想階段，尚未確證；第二，即使這些理論的結果都如人所愿，能夠解決地球上人的問題嗎?難道我們要把地球上現代人的生存方式的合理性建立在宇宙尺度的熵減少上嗎?

人的壽命不過百年，人類有文字歷史不過萬年，而地質演化的時間尺度是百萬年，星系演化的時間尺度是億年，靠宇宙熵減來拯救人類，最大的難題是——來不及啊!

其實，關于熱寂說是否成立，很多年以前就已經爭論得差不多了，鬧到最后，還是信與不信的問題。毫無疑問，在目前給定的物理條件下，堅持目前已知的物理定律，熱寂是必然的結局。所以反熱寂的人只能寄希望于熱二律的不成立，或者從開放與孤立下手，強調條件不成立；或者干脆就直接想象，存在某一種未知的機制，在將來的某一天改變熱二律成立的條件，乃至于改變熱二律本身。所以問題爭論到這里，已經不是一個單純的物理題了。假如我們討論的不是地球或者宇宙，而是一個普通的熱力學系統，大家誰也不會在得到熱寂結論之后，再想辦法證明結論不成立。所以其中必然存在著信念問題。比方說，一個樂觀主義者，就不愿意見到熱寂這個悲慘的結局。最值得分析的是某些科學主義的樂觀主義者，他們常常表現出兩種可能性：一，他們基本的科學知識不及格——而這種情況常常發生，中國公眾素養調查數據已經“科學地”證明了，最強的科學主義者有相當多數是不具備基本科學素養的。對于普通公眾來說，這并不奇怪。奇怪的是，某些平常以科學代表自居的人也不及格。那是因為，他們不能樸素地看待科學，學科學，用科學，而是將科學意識形態化，在科學身上寄托了太多的科學本來不能承擔的幻想。作為科學主義者在這個時候反而不去根據現有的科學討論問題，而把希望寄托于將來和未知，這恰恰表明，科學主義者高舉的不是科學本身，依據的也不是科學本身，而只是把科學作為其意識形態的大旗的包裝而已。