熵增方向——人類社會發展的自然之路

【摘 要】熵是熱力學名詞，表示物質系統有序或無序的物理量。系統的熵越大，反映了它的無序程度越大、所處的狀態越穩定。物質系統自發的變化過程總是向熵增大的方向進行。熵不僅僅在物理學中應用，在社會學中、生活中也有體現。文章首先詮釋了熵、熵增原理，接著分析了生命與熵的關系、熵增與宇宙熱寂的關系、熵增與社會的關系以及自然與人的關系，最后得出，熵增方向乃是自然之路，是人類社會發展的正確之路。

【關鍵詞】熵 熵增 人類社會發展 自然之路

【中圖分類號】C911 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674－4810（2011）19－0017－03

我們周圍的一切都在不停地變化，春去秋來，花開花落；我們人類也在不停地變化，從牙牙學語到滿頭銀發；人類居于自然，屬于自然。一個人如果熱愛大自然，他會認真仔細觀察他能見到的一切自然現象，而每一種自然變化都有著其自身的規律性。我們知道，人的衰老、樹木枯萎、房子倒塌、原油消耗、土地風化等都包含著自然過程的方向性規律，或者說是沿著某一方向進行的。在物理學上，我們把這一類的變化過程稱為自然過程的不可逆性。嚴格地說，一切自然過程都是不可逆的。現在，我們需要探知的是，這些不可逆的自然過程，是按怎樣的變化方向進行的？

一 熵及熵增原理

一滴墨水可以染黑一盆清水；一縷花香可以溢滿居室，這類自然現象我們叫擴散。實驗證明，一切的擴散過程總是從高濃度區域向低濃度進行的。擴散的過程也是自然的，不可逆的。如果我們把高濃度和低濃度區域看成一個封閉的系統，那么系統內的變化就是從高低有序到平衡無序的變化。我們再來看一下熱傳遞的方向性。高溫物體A和低溫物體B的接觸，我們會發現，在自然的情況下熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞的，其結果就是A物體的溫度降低和B物體的溫度升高，最終是A、B同溫，即熱平衡。如上，我們也可以把A、B看成是一個系統，那么熱傳遞的方向就是：從溫度的高低有序到熱平衡無序的變化。

事實上，一切自然過程都是按從有序向無序方向進行的。一百多年前的物理學家，經過大量的實驗研究，總結出熱力學第二定律，也就是熵增原理，指明了一切自然過程的方向性。熵增原理最經典的表述是：“絕熱系統的熵永不減少”，近代人們又把這個表述推廣為“在孤立系統內，任何變化不可能導致熵的減少”。所說的熵是一個描述系統狀態的重要物理量，簡單地說熵就是系統內混亂和無序的度量。熵值越大，混亂無序的程度越大。其實是克勞修斯首次從宏觀角度提出熵概念（S＝Q/T），而后波爾茲曼又從微觀角度提出熵概念（S＝klnW），當然兩者是相通的。孤立系統指的是系統和外界沒有物質和能量的交換。

熵增原理的提出引起了世界的震驚。熵不僅用于物理學，而且適用于其他自然科學，甚至于在社會科學中也被廣泛地使用。美國頗有聲望的著作家、社會活動家里夫金所撰寫的一部引起西方學術界普遍震驚的著作《熵，一種新的世界觀》，作者在書中闡明了一種新的社會歷史觀。宣稱：隨著全球性能源危機的臨近，現在盛行的牛頓的機械論世界觀行將消亡。取而代之的是熵的定律，即熱力學第二定律。作者給予了這個定律以哲學的意義，認為作為自然界最高定律的熵定律，其作用在社會歷史中也無所不在。多年來的實驗研究，確實證明了熵增原理的正確性。比如在自然科學領域，化學反應是按熵增的方向進行的；在生命科學領域，動植物的生命發展是按熵增方向進行的；在社會科學領域，人類社會的發展進步是按熵增方向進行的。

二 生命與熵

生命過程則毫無例外地是向著熵增加的方向變化的，每一個生命個體最終都將走向衰老、死亡，再被自然所降解，從有序到無序，這與熵增原理是一致的。但個體的生命過程還存在發育、分化、成長的階段，生命系統也是由簡單到復雜、由低等向高等進化的，生物機體內部總是維持著高度的結構有序，體內的各種生化反應都定時、定位、定量地發生，受到嚴格的控制。如何解釋生命這種現象？它是不是與熵增原理相矛盾？

熱力學第二定律還揭示了：局部的有序是可能的，但必須以其他地方的更大無序為代價。人生存，就要能量、要食物，這些都要以動植物的死亡（熵增）為代價。實際上生命系統是一個開放系統，其熵變可以分為兩部分：熵產生與熵交換。熵產生是由于系統中不可逆過程引起的，總為正值；熵交換是系統與環境之間由于物質和能量的交換而引起的，可為正、為負或為零。兩者之和決定了系統的總熵變。熵是物質的一種屬性，可將物質區分為高熵和低熵物質。生命的基本特征是新陳代謝，從熵的角度看新陳代謝實際上是生命體汲取低熵、排出高熵物質的過程。動物體攝取的多糖、蛋白其分子結構的排列是非常有規則的，是嚴格有序的低熵物質，而其排泄物（二氧化碳、尿、汗等）卻是相對無序的，這樣就引進了負熵流，系統的熵將減少。當系統的總熵變小于零時，生命處在生長、發育的階段，向著更加高級有序的結構邁進。當總熵變為零時，生命體將維持在一個穩定、成熟的狀態，而總熵變大于零的標志則是疾病、衰老。疾病可以看作是生命體短期和局部的熵增加，從而引起正常生理功能的失調和無序，治療則是通過各種外部力量（藥物、手術、飲食、保健等）干預機體，促進吸納低熵、排出高熵。

三 熵增與宇宙熱寂

克勞修斯于1865年將熱力學第二定律推廣到宇宙，得出宇宙熵趨于極大值，并于1867年正式提出熱寂說，認為：“在一切自然現象中，熵的總值永遠只能增加而不能減少。于是到處不斷進行的變化過程，由此可以認為：宇宙的熵趨于極大。宇宙越是接近于這個熵是極大的極限狀態，那就任何進一步的變化都不會發生了，這時宇宙就會進入一個死寂的永恒狀態。”這就是熱寂說。

“熱寂說”是哲學上長期爭論不休的一個問題，也是物理學上無法直接驗證的問題。我們需要思考的是：從物理學研究總結的個體經驗是否可以無邊的推廣到宇宙。其實熱力學第二定律并非普適定律，它只適用于具有兩個前提條件的系統：一是：系統必須是孤立的，與外界沒有物質和能量的交換；二是：系統必須“從一個有序的狀態啟始”（《時間簡史續編》，霍金著，第163頁）。因為按照熱力學第二定律的論斷，系統一旦熱平衡，就熵寂了，不再有任何活動。這兩個前提條件都必需一應具備，缺少其中的任何一個，熱力學第二定律都不適用。宇宙是否兼具這兩個前提條件？首先，人們必須確定宇宙是否是一個孤立系統，即使宇宙是孤立的系統，它也可能不符合熱力學第二定律所設定的必備的第二個前提——源于有序。因為宇宙的起源可能就是熱平衡態。就人類目前研究來看，這兩點都是無法確定的。也就是說，宇宙的將來是否熱寂，現在沒有定論，只有爭論。如果按照現在比較流行的大爆炸理論，也許“熱寂”只是宇宙輪回過程中的一個“節點”。

大爆炸理論認為：早期的宇宙充滿了同源同性的物質，其溫度、壓強、能量都極高。隨著膨脹和冷卻，宇宙物質經歷了相變，相轉變引起宇宙產生指數級增長，稱為暴脹。之后暴脹停止，此時宇宙的物質形式是夸克—膠子等離子體，這些物質的運動都符合相對論。宇宙繼續在空間上膨脹，溫度繼續下降。在某一溫度下，一種至今未知的所謂重子相變的相變產生，夸克和膠子組成重子，就是質子和中子。隨著溫度進一步降低，更多無對稱的相變發生，形成了現在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些質子和中子結合，組成氘和氦的原子核，這個過程叫做太初核合成。最終，形成現在這樣的宇宙。現在的宇宙并沒有停止發展，宇宙會在膨脹到最大體積之后收縮，在收縮過程中，宇宙的密度和溫度都會再次升高，最后終結于同爆炸開始相似的狀態——一個致密致熱的小球。而宇宙的溫度會趨近于絕對零度。黑洞被氣化，宇宙的熵會增加到極點，再也不會有組織的能量形式產生，這叫做熱寂說。接著就是宇宙開始新的一輪輪回。

四 信息熵

對于擴散運動，按照熵增原理，其結果就是達到平衡。而當想逆行時，就必須施加外界的影響。麥克斯韋設想，用隔板隔開的兩個盒子內盛有相同溫度的氣體，隔板上開一小孔，小孔上裝一扇可以自由開合且無摩擦的小門，小精靈把門。它只允許快速的分子從左盒進入右盒；只允許低速運動的分子從右盒進入左盒。因此，如果存在這種小精靈，就能使分子動能高的分子從左盒轉移到右盒，形成左右溫差，建立秩序，實現熵的自發減少，從而似乎推翻了熱力學第二定律。這就是著名的麥克斯韋妖。我們假想一下，用人來代替這些進行交換的分子，擴散運動是可以從無序到有序的。那么人和那些分子到底有什么本質的區別呢？其實人就是一個高度有序的生命體，這種生命體和外界的交換不僅僅是物質和能量上的交換，還有信息上的交換。為此，著名的信息學理論的創始人香農提出了信息熵的觀念。

信息熵是用于度量信息量的一個概念。一個系統越是有序，信息熵就越低；反之，一個系統越是混亂，信息熵就越高。所以，信息熵也可以說是系統有序化程度的一個度量。信息的運用等于熵的減少。麥克斯韋妖正是利用信息來判斷區別分子的。而人類對于信息的運用，不會比妖差多少，其實還有許多動植物都有信息的利用能力。所以系統的熵變（dS）應該包含物質能量交換引起的熵變（dS1）和信息交換引起的熵變（dS2）以及系統體內自發熵變（dS3）。

（dS）＝（dS1）＋（dS2）＋（dS3）

對于一個孤立系統，系統的熵是不會減少的；但是對于一個開放系統，系統可通過和外界進行物質、能量、信息的交換來減少系統的熵。生命系統在成長過程中正是和外界的交換來減少系統的熵，從而使生命體完成從簡單到復雜、從低級到高級的進化。也正是因為信息熵的存在，才顯示出生命體和無機物的本質不同。

五 熵增與社會發展

隨著社會發展，能量消耗的增大，我們的世界的熵正在不斷增大，社會正走向無序，而現在出現的能源問題、環境問題、人口爆炸性增長問題等又恰好印證了熵增的原理。因此一些持有悲觀的社會發展觀點的人認為，當我們在開采礦石、生產糧食、加工食品的過程中，耗費了別的物質和能量，部分能量被吸收進了產品，而還有不少能量則浪費掉了。社會的發展隨著經濟財富的增多，能量喪失得越多，熵也增加得越多。熵增加就是有效能量的減少，有效能量使用過后成為無效能量即“垃圾”，人類科學技術的迅速發展正產生出比他“創造”出來的“財富”更多更有害于人類的垃圾。人類只能減慢熵的增長和延緩走向“熱寂”的速度。因而，人類在以自己的勞動創造商品的價值時，也在增大著地球上的熵。總有一天，當我們再無能源可用、稱之為“熱寂”時，人類的文明社會終將走向悲劇化結局。那時一切自然、生命將銷聲匿跡，世界再也沒有溫暖明媚的陽光、清新撲面的微風、波濤起伏的海浪，世界處于一片混亂和無序之中。總的來說，人類社會的發展是一個衰滅過程。

然而，我們的社會是個開放的社會，為了控制社會的熵增，我們必須行動起來。我們的社會要不斷向前發展，減緩熵增過程，有兩個途徑：第一，增大負熵流的輸入；第二，減小系統自身內不可逆增熵流的增大。就具體行動而言，就是第一，堅持開放，從外界獲取物質和能源；第二，保護環境，減少人類消耗。就一個國家而言：開放是一個國家的穩定前提。例如朝鮮，是一個封閉社會，缺乏外界的負熵（或者是低熵）流入，按照熵增原理，社會必然走向無序，極度的無序，就有可能引起社會的相變（也就是政府的更迭）。作為政府，為了維護自己的統治，必然想方設法來減低社會的熵。那就是制定嚴格的法律，通過法律使社會變得有序，也就是降低熵。這樣，我們又有了“社會熵”的概念。那么影響或決定我們人類社會發展方向的熵變，應該包括自然熵、信息熵、社會熵等。社會熵是社會無序程度的度量。人類社會的發展也是按照熵增的方向進行的。一定的社會形態持續的時間長短，取決于統治者如何控制社會的熵增。當然，社會是一定要前進的，正如生命、宇宙一樣也許都要“輪回”。

六 自然與人

熵增定律從本質來看是一種決定論，而且和我們以前認識的所有定律一樣，是一種“單向”定律——它一直就隱藏在自然變化之中，只不過是被人類發現了而已。既然任何的自然過程都是按照其自身的規律發展的，也就是按照熵增的方向進行的，自然早已把結局當成定數賦予了人類，那么，人類難道就真的無能為力了嗎？

人與自然的關系決非簡單的“單向”定律就能涵蓋，如果把生命統統都看作是一次短暫的化學反應，那一切都將是毫無意義的。其實人與自然應該是和諧共存的關系。中國有句古話——知命造命。人（包括個體和人類）的命運是可以通過后天努力去改變的，所以，問題的關鍵不在于我們該怎樣改變自然，而在于應該怎樣看待自然。是當作一個有機鮮活的“生命”整體，還是當作一堆等待反應的物質材料。唯物辯證法認為：世界由物質和意識構成。任何問題如果回避精神而只談物質，都將是片面而狹隘的。即便是從熵增原理出發，自然是按照熵增的方向進行的，但是人類可以影響熵變的。更何況，我們還有信息熵、社會熵，都可以用于控制自然的熵變。再說，自然的方向是不可逆的，是指在自發的情況下。其實只要通過人力就可以改變自然的方向，不過，我們改變的只能是局部的、個別的自然方向，這種局部或者是個別的改變，將以犧牲全局的熵變為前提。例如，空調的使用，就可以使熱量從低溫物體傳給高溫物體。它帶來的僅是局部生存的舒適，但是它給整個自然界帶來的是災難。

人類生于自然，長于自然，我們可以改變自然，但是在改變自然之前，應該好好考慮。現在我們經常談論的可持續發展，也許就是人類社會發展的正確之路。

參考文獻

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〔責任編輯：李錦雯〕