熵的哲學原理

摘 要 熵是一個極其重要的物理量，是描述復雜系統狀態的函數，它表示系統的有序化程度。熵理論是由熵的概念與原理構成的理論體系。熵理論發展至今雖然還在不斷的完善，但它所揭示的哲學意義卻是十分豐富的。這些哲學意義主要體現為：熵的變化是雙向的，科學證實熵既有增也有減，負熵即是熵的減少。在孤立系統內，任何變化都不能使系統的總熵減小，熵和負熵是對立的但是二者又都服從于熱力學第二定律，熵與負熵的關系揭示了矛盾的立統一規律；由于能與熵二者的競爭決定了系統所處的狀態，熵變由此作為判斷平衡和反應方向的依據，在恒溫恒壓焓變相同的條件下，隨著熵變數值由小到大，吉布斯自由能也必然會經歷著>0、=0和<0三種截然不同的狀態，而熵變所經歷的變化是量變，在吉布斯自由能不為零的前提下熵變保持著關節點范圍內幅度的增減均不能引起反應方向的改變，因此透過熵變改變體系平衡及反應方向的這一過程揭示了質量互變規律；在熵增熵減矛盾的對立、通過漲落和突變的這一系列過程中存在著三個環節，兩度否定：初期熵減占據系統的主導地位是對熵增的否定以及最終熵增占據系統的主導地位又是對熵增否定的再否定，因此體系中熵的變化過程揭示了否定之否定規律。

關鍵詞 熵 對立統一 質量互變

作者簡介：袁一楠，長沙理工大學馬克思主義學院2017級外國哲學專業研究生。

中圖分類號：B5 文獻標識碼：A DOI：10.19387/j.cnki.1009-0592.2018.11.240

“熵”這一概念的源于第一次工業革命后日益發展完善的熱力學。科學界對熵的研究至今已有一百五十多年的歷史，近六十年來學者們對熵理論的研究創新更是突飛猛進，熵理論也被廣泛應用到熱力學、化學、生命科學、統計學、信息論、非線性動力學等諸多領域，愛因斯坦甚至稱其為：“整個科學界的第一法則”。本文就熵的概念、熵理論的發展歷史以及熵蘊含的哲學思想等方面進行探討。

一、熵及熵理論的發展

“熵”是德國物理學家克勞修斯為了通過數學形式表達熱力學第二定律的實質而引入的一個狀態函數。1850年，克勞修斯在遵循能量守恒原理以及對卡諾循環研究的基礎上，提出了熱力學第二定律關于熱量傳遞過程的表述：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他方面的改變。為了使自己的這一觀點能夠通過數學方法得以證實，克勞修斯于1865年引入了狀態函數熵，符號S，由此得出了熱力學第二定律的數學表達式：dS≥dQ/T。在引入熵的概念后，熱力學第二定律可以表述為：在孤立系統內，任何變化都不能使系統的總熵減小。若變化過程可逆，則dS=0；若變化過程不可逆，則dD>0，總之熵永遠是增加的，因此熱力學第二定律又稱作熵增定律。“1887年，玻爾茲曼在概率論的基礎上，從微觀角度出發，對克勞修斯的熱力學熵理論進行了拓展，揭示了熵的物理意義”。 他建立了熵與微觀狀態函數W之間的關系，得出了熵的數學表達式：S=KlnW，這里的K為玻爾茲曼常數。“該式闡明了熵的微觀本質，給予熵明確的統計意義：孤立系統的熵與其微觀狀態數的對數成比例，換言之熵是微觀狀態個數的函數，是系統微觀狀態數度量。W越少，熵越小，系統越有序；反之，W越多，熵越大，系統越無序”。 克勞修斯引入的熵是宏觀物理量，而玻爾茲曼熵是微觀的熵，是系統微觀世界混亂度的度量，是克勞修斯熵的進一步深化。

1948年，美國數學家申農通過引入統計熱力學熵的概念從而創立了信息論，信息論中申農得出了同統計力學熵相同的數學公式，稱之為信息熵。在統計熱力學中，熵可以看作是系統無序狀態或不確定性的量度，而信息的量度同樣與和它所代表事件隨機性的概率相關：若事件發生概率越大，有關此事件發生的不確定性就越小，因此包含的信息量就越小，熵值越大；反之如果事件發生的概率越大小，有關此事件發生的不確定程度就越大，其包含的信息量就越大，熵值越小。信息和熵是互補的關系，信息即是負熵。信息熵的出現使熵的概念突破了熱力學的界限，為其日后廣泛應用于不同領域奠定了基礎。

二、熵理論的哲學意義

（一）熵與負熵的關系揭示了矛盾的立統一規律

熵的變化是雙向的，科學證實熵既有增也有減，負熵即是熵的減少。馬克思主義哲學認為：“一切矛盾都是由對立著的兩個方面構成，矛盾關系就是發生在對立面之間的關系，沒有對立的兩個方面就不能構成矛盾。” 在孤立系統內，任何變化都不能使系統的總熵減小，所以熵和負熵是對立的。英國物理學家麥克斯韋于1871年提出的“麥克斯韋妖”這一假想模型雖然從理論上能夠制造出一個局部熵減的系統，但仍然不能推翻熱力學第二定律，因為局部熵的減小要以周圍環境熵的增加為代價。1969年比利時物理化學家普里戈金在一次"理論物理學和生物學"的國際會議上首次提出了著名的耗散結構理論，即關于非平衡系統自組織的理論。耗散結構理論的提出成功解釋了所有生命體以及人類社會不斷有序化發展這一“熵減”過程，認為生命體以及人類社會的有序化發展往往要以造成周圍環境更大的混亂度為代價。因此就生命系統包括人類社會同周圍環境所組成的全部體系而言，其最終的發展仍然是朝著無序化進行的，仍然服從于熱力學第二定律。由此可見，盡管熵和負熵的對立顯而易見，但熵和負熵又是統一的，二者相互依存相互轉化的關系服從于同一原則即熱力學第二定律。對立關系與統一關系是兩種不同的關系，但這兩種關系又總是結合在一起。現實世界既存在著生物體的熵增，也存在生物體的熵減；既存在非熱力學孤立系統的減熵，也存在熱力學孤立系統的增熵。熵增熵減存在于任何一個開放系統中，而整個系統最終是熵增還是熵減則取決于二者的相對大小以及博弈的結果。

（二）熵變作為判斷平衡和反應方向的依據揭示了質量互變規律

對于化學反應而言，反應前后熵的變化稱作反應的熵變，其大小影響著作為平衡判據的熱力學函數。十九世紀末美國物理學家吉布斯在其發表的化學熱力學經典之作《論非均相物體的平衡》中提出了吉布斯自由能這一重要概念，吉布斯自由能是恒壓、恒溫過程中系統自發反應方向與平衡的判據，其數學表達式為 G= H-T S（KJ/mol），“從熱力學觀點來看，正是能與熵二者的競爭決定了系統所處的狀態，自由能的公式更是直接表達了這樣的事實，平衡乃是能與熵之間競爭的結果，溫度T決定著這兩個因素之相對權重。” 因此在恒溫、恒壓時，吉布斯自由能的大小完全由焓變和熵變決定：當 G<0時，反應可自發進行；當 G=0時，體系處于平衡； G>0時逆反應自發進行，對于一個確定的化學反應， H是保持不變的，故在以上所有條件下，只有 S決定著 G的大小，因此隨著 S數值由小到大， G也必然會經歷>0、=0和<0著三種狀態，這三種狀態之所以不同，是由于他們具有自身質的規定性。馬克思主義哲學認為：“量是事物存在和發展的規模，程度，速度等可以用數量表示的規定性，以及事物構成因素在空間上的排列組合方式，量的規定性不同于質的規定性：質與事物的存在是直接同一的；量在一定范圍內的增減并不影響某物之為某物。” 在上述過程中 G所經歷的三種變化是質變，其數值同0的大小關系與體系平衡及反應方向存在直接的同一性。而 S所經歷的變化是量變，在 G≠0的前提下 S保持著關節點范圍內幅度的增減均不能引起反應方向的改變，因此，在該條件下 S與 G的關系是辯證的，前者變化是后者變化的前提，后者變化是前者變化的必然結果。所以，透過熵變改變體系平衡及反應方向的這一過程中就蘊含著質量互變這一哲學規律。

（三）體系中熵的變化過程揭示了否定之否定規律

自然界的演化和發展是復雜變化的，在此過程中總是伴隨著熵增和熵減，其外在表現也呈現出有序的進化和無序的退化。在熵概念尚未提出之前，英國物理學家開爾文首先提出了“熱寂”思想。后來克勞修斯于1867年正式提出“熱寂說”理論。“熱寂說”認為：宇宙的熵永遠增大，隨著時間的推移宇宙將接近其熵值極大的極限狀態，在該極限狀態下任何變化都不會發生，宇宙就會逐漸進入一個永恒的死寂狀態。因此“熱寂說”對達爾文的“進化論”進行了否定，認為生命體的產生以及一切進化都是“表面現象”，其本質仍然是退化的、無序的，并且逐步走向最終的消亡。恩格斯曾在其著作《自然辯證法》中對克勞修斯的“熱寂說”理論進行批判，但哲學思辨終歸不能代替自然科學，對“熱寂說”理論合理與否的探索仍然是科學工作者們長期奮斗的方向。1944年，著名物理學家薛定諤出版了《生命是什么》一書，提出了“生命體想要擺脫死亡順利存活就要不斷的從環境中不斷汲取負熵”的“負熵說”。1969年比利時物理化學家普利高津在薛定諤“負熵說”和不違背熱力學第二定律的理論基礎上，為闡釋生命系統如何產生和進化時提出了“耗散結構理論”，這一理論初步將熱力學第二定律和“進化論”進行了統一。該理論認為，熱力學第二定律研究的是孤立系統和平衡態，而生命系統最重要的特征是它們產生于遠離平衡態非線性的開放系統。一個遠離平衡態非線性的開放系統通過與外界進行能量和物質的交換，當系統內部某個參量的變化達到一定臨界值時，通過漲落，系統可能發生突變，從無序狀態發展成有序結構。在這個看似“逆”熱力學第二定律的過程中，系統從無序到有序的熵減過程實際上是對熵增的否定，即普遍肯定的熵增理論的自我否定，這說明在生命系統產生和進化過程中存在著熵增和熵減的矛盾，由于矛盾雙方的相互作用，當熵減的一方占據主導地位支配著整個系統時，系統就出現了由無序到有序的自發傾向，進而產生了生命體，并使其不斷的進化。馬克思主義哲學認為：“肯定的方面是事物保持自身存在的方面，即肯定這一事物它自身的方面。否定的方面是促使該事物滅亡的方面，即促使它轉化為其他事物的方面。” 不過這種遠離平衡態非線性的開放系統一旦形成新的有序的結構，就需要從環境中不斷吸取負熵通過降低自身的總熵來保證有序結構得以維持，但通常情況下，熱力學系統相對于其他子系統來說非常龐大，漲落的概率相對于平均值而言又十分渺小，所以生命體依據熱力學第二定律走向最終的消亡是不可避免的，即系統熵增同熵減的斗爭中熵增最終將占據主導地位，這是對熵減的否定，也是對普遍肯定的熵增理論的否定之否定，因此在這個過程中存在著三個環節，兩度否定：熵增熵減矛盾的對立、通過漲落和突變熵減占據系統的主導地位和最終熵增占據系統的主導地位以及對熵增的否定和對熵增否定的再否定。正如恩格斯所說：“事物發展的過程按本性說是對抗的、包含著矛盾的過程，一個極端向他的反面的轉化，最后，作為整個過程的核心的否定的否定。” 由此可見生命體從產生進化到最終消亡是一個熵增過程的否定之否定，這一哲學規律也顯示出事物自己發展自己的完整過程。

注釋：

苑娟、萬焱、褚意新.熵理論及其應用.中國西部技.2011，10（5）.42-44.

林德根、鮑曉光.論熵理論的哲學意義.中共哈爾濱市委黨校學報.2009（1）.1-4.

《馬克思主義哲學》編寫組.馬克思主義哲學.北京：高等教育出版社、人民出版社.2009.120，129-130，134.

馮瑞、馮少彤.溯源探幽：熵的世界.北京：科學出版社.2016.33.

馬克思、恩格斯.馬克思恩格斯選集：第三卷.北京：人民出版社.1995.483.