熵增方向——人类社会发展的自然之路

【摘 要】熵是热力学名词，表示物质系统有序或无序的物理量。系统的熵越大，反映了它的无序程度越大、所处的状态越稳定。物质系统自发的变化过程总是向熵增大的方向进行。熵不仅仅在物理学中应用，在社会学中、生活中也有体现。文章首先诠释了熵、熵增原理，接着分析了生命与熵的关系、熵增与宇宙热寂的关系、熵增与社会的关系以及自然与人的关系，最后得出，熵增方向乃是自然之路，是人类社会发展的正确之路。

【关键词】熵 熵增 人类社会发展 自然之路

【中图分类号】C911 【文献标识码】A 【文章编号】1674－4810（2011）19－0017－03

我们周围的一切都在不停地变化，春去秋来，花开花落；我们人类也在不停地变化，从牙牙学语到满头银发；人类居于自然，属于自然。一个人如果热爱大自然，他会认真仔细观察他能见到的一切自然现象，而每一种自然变化都有着其自身的规律性。我们知道，人的衰老、树木枯萎、房子倒塌、原油消耗、土地风化等都包含着自然过程的方向性规律，或者说是沿着某一方向进行的。在物理学上，我们把这一类的变化过程称为自然过程的不可逆性。严格地说，一切自然过程都是不可逆的。现在，我们需要探知的是，这些不可逆的自然过程，是按怎样的变化方向进行的？

一 熵及熵增原理

一滴墨水可以染黑一盆清水；一缕花香可以溢满居室，这类自然现象我们叫扩散。实验证明，一切的扩散过程总是从高浓度区域向低浓度进行的。扩散的过程也是自然的，不可逆的。如果我们把高浓度和低浓度区域看成一个封闭的系统，那么系统内的变化就是从高低有序到平衡无序的变化。我们再来看一下热传递的方向性。高温物体A和低温物体B的接触，我们会发现，在自然的情况下热量总是从高温物体向低温物体传递的，其结果就是A物体的温度降低和B物体的温度升高，最终是A、B同温，即热平衡。如上，我们也可以把A、B看成是一个系统，那么热传递的方向就是：从温度的高低有序到热平衡无序的变化。

事实上，一切自然过程都是按从有序向无序方向进行的。一百多年前的物理学家，经过大量的实验研究，总结出热力学第二定律，也就是熵增原理，指明了一切自然过程的方向性。熵增原理最经典的表述是：“绝热系统的熵永不减少”，近代人们又把这个表述推广为“在孤立系统内，任何变化不可能导致熵的减少”。所说的熵是一个描述系统状态的重要物理量，简单地说熵就是系统内混乱和无序的度量。熵值越大，混乱无序的程度越大。其实是克劳修斯首次从宏观角度提出熵概念（S＝Q/T），而后波尔兹曼又从微观角度提出熵概念（S＝klnW），当然两者是相通的。孤立系统指的是系统和外界没有物质和能量的交换。

熵增原理的提出引起了世界的震惊。熵不仅用于物理学，而且适用于其他自然科学，甚至于在社会科学中也被广泛地使用。美国颇有声望的著作家、社会活动家里夫金所撰写的一部引起西方学术界普遍震惊的著作《熵，一种新的世界观》，作者在书中阐明了一种新的社会历史观。宣称：随着全球性能源危机的临近，现在盛行的牛顿的机械论世界观行将消亡。取而代之的是熵的定律，即热力学第二定律。作者给予了这个定律以哲学的意义，认为作为自然界最高定律的熵定律，其作用在社会历史中也无所不在。多年来的实验研究，确实证明了熵增原理的正确性。比如在自然科学领域，化学反应是按熵增的方向进行的；在生命科学领域，动植物的生命发展是按熵增方向进行的；在社会科学领域，人类社会的发展进步是按熵增方向进行的。

二 生命与熵

生命过程则毫无例外地是向着熵增加的方向变化的，每一个生命个体最终都将走向衰老、死亡，再被自然所降解，从有序到无序，这与熵增原理是一致的。但个体的生命过程还存在发育、分化、成长的阶段，生命系统也是由简单到复杂、由低等向高等进化的，生物机体内部总是维持着高度的结构有序，体内的各种生化反应都定时、定位、定量地发生，受到严格的控制。如何解释生命这种现象？它是不是与熵增原理相矛盾？

热力学第二定律还揭示了：局部的有序是可能的，但必须以其他地方的更大无序为代价。人生存，就要能量、要食物，这些都要以动植物的死亡（熵增）为代价。实际上生命系统是一个开放系统，其熵变可以分为两部分：熵产生与熵交换。熵产生是由于系统中不可逆过程引起的，总为正值；熵交换是系统与环境之间由于物质和能量的交换而引起的，可为正、为负或为零。两者之和决定了系统的总熵变。熵是物质的一种属性，可将物质区分为高熵和低熵物质。生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。动物体摄取的多糖、蛋白其分子结构的排列是非常有规则的，是严格有序的低熵物质，而其排泄物（二氧化碳、尿、汗等）却是相对无序的，这样就引进了负熵流，系统的熵将减少。当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。疾病可以看作是生命体短期和局部的熵增加，从而引起正常生理功能的失调和无序，治疗则是通过各种外部力量（药物、手术、饮食、保健等）干预机体，促进吸纳低熵、排出高熵。

三 熵增与宇宙热寂

克劳修斯于1865年将热力学第二定律推广到宇宙，得出宇宙熵趋于极大值，并于1867年正式提出热寂说，认为：“在一切自然现象中，熵的总值永远只能增加而不能减少。于是到处不断进行的变化过程，由此可以认为：宇宙的熵趋于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”这就是热寂说。

“热寂说”是哲学上长期争论不休的一个问题，也是物理学上无法直接验证的问题。我们需要思考的是：从物理学研究总结的个体经验是否可以无边的推广到宇宙。其实热力学第二定律并非普适定律，它只适用于具有两个前提条件的系统：一是：系统必须是孤立的，与外界没有物质和能量的交换；二是：系统必须“从一个有序的状态启始”（《时间简史续编》，霍金著，第163页）。因为按照热力学第二定律的论断，系统一旦热平衡，就熵寂了，不再有任何活动。这两个前提条件都必需一应具备，缺少其中的任何一个，热力学第二定律都不适用。宇宙是否兼具这两个前提条件？首先，人们必须确定宇宙是否是一个孤立系统，即使宇宙是孤立的系统，它也可能不符合热力学第二定律所设定的必备的第二个前提——源于有序。因为宇宙的起源可能就是热平衡态。就人类目前研究来看，这两点都是无法确定的。也就是说，宇宙的将来是否热寂，现在没有定论，只有争论。如果按照现在比较流行的大爆炸理论，也许“热寂”只是宇宙轮回过程中的一个“节点”。

大爆炸理论认为：早期的宇宙充满了同源同性的物质，其温度、压强、能量都极高。随着膨胀和冷却，宇宙物质经历了相变，相转变引起宇宙产生指数级增长，称为暴胀。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是夸克—胶子等离子体，这些物质的运动都符合相对论。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，一种至今未知的所谓重子相变的相变产生，夸克和胶子组成重子，就是质子和中子。随着温度进一步降低，更多无对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。最终，形成现在这样的宇宙。现在的宇宙并没有停止发展，宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩，在收缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的小球。而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化，宇宙的熵会增加到极点，再也不会有组织的能量形式产生，这叫做热寂说。接着就是宇宙开始新的一轮轮回。

四 信息熵

对于扩散运动，按照熵增原理，其结果就是达到平衡。而当想逆行时，就必须施加外界的影响。麦克斯韦设想，用隔板隔开的两个盒子内盛有相同温度的气体，隔板上开一小孔，小孔上装一扇可以自由开合且无摩擦的小门，小精灵把门。它只允许快速的分子从左盒进入右盒；只允许低速运动的分子从右盒进入左盒。因此，如果存在这种小精灵，就能使分子动能高的分子从左盒转移到右盒，形成左右温差，建立秩序，实现熵的自发减少，从而似乎推翻了热力学第二定律。这就是著名的麦克斯韦妖。我们假想一下，用人来代替这些进行交换的分子，扩散运动是可以从无序到有序的。那么人和那些分子到底有什么本质的区别呢？其实人就是一个高度有序的生命体，这种生命体和外界的交换不仅仅是物质和能量上的交换，还有信息上的交换。为此，著名的信息学理论的创始人香农提出了信息熵的观念。

信息熵是用于度量信息量的一个概念。一个系统越是有序，信息熵就越低；反之，一个系统越是混乱，信息熵就越高。所以，信息熵也可以说是系统有序化程度的一个度量。信息的运用等于熵的减少。麦克斯韦妖正是利用信息来判断区别分子的。而人类对于信息的运用，不会比妖差多少，其实还有许多动植物都有信息的利用能力。所以系统的熵变（dS）应该包含物质能量交换引起的熵变（dS1）和信息交换引起的熵变（dS2）以及系统体内自发熵变（dS3）。

（dS）＝（dS1）＋（dS2）＋（dS3）

对于一个孤立系统，系统的熵是不会减少的；但是对于一个开放系统，系统可通过和外界进行物质、能量、信息的交换来减少系统的熵。生命系统在成长过程中正是和外界的交换来减少系统的熵，从而使生命体完成从简单到复杂、从低级到高级的进化。也正是因为信息熵的存在，才显示出生命体和无机物的本质不同。

五 熵增与社会发展

随着社会发展，能量消耗的增大，我们的世界的熵正在不断增大，社会正走向无序，而现在出现的能源问题、环境问题、人口爆炸性增长问题等又恰好印证了熵增的原理。因此一些持有悲观的社会发展观点的人认为，当我们在开采矿石、生产粮食、加工食品的过程中，耗费了别的物质和能量，部分能量被吸收进了产品，而还有不少能量则浪费掉了。社会的发展随着经济财富的增多，能量丧失得越多，熵也增加得越多。熵增加就是有效能量的减少，有效能量使用过后成为无效能量即“垃圾”，人类科学技术的迅速发展正产生出比他“创造”出来的“财富”更多更有害于人类的垃圾。人类只能减慢熵的增长和延缓走向“热寂”的速度。因而，人类在以自己的劳动创造商品的价值时，也在增大着地球上的熵。总有一天，当我们再无能源可用、称之为“热寂”时，人类的文明社会终将走向悲剧化结局。那时一切自然、生命将销声匿迹，世界再也没有温暖明媚的阳光、清新扑面的微风、波涛起伏的海浪，世界处于一片混乱和无序之中。总的来说，人类社会的发展是一个衰灭过程。

然而，我们的社会是个开放的社会，为了控制社会的熵增，我们必须行动起来。我们的社会要不断向前发展，减缓熵增过程，有两个途径：第一，增大负熵流的输入；第二，减小系统自身内不可逆增熵流的增大。就具体行动而言，就是第一，坚持开放，从外界获取物质和能源；第二，保护环境，减少人类消耗。就一个国家而言：开放是一个国家的稳定前提。例如朝鲜，是一个封闭社会，缺乏外界的负熵（或者是低熵）流入，按照熵增原理，社会必然走向无序，极度的无序，就有可能引起社会的相变（也就是政府的更迭）。作为政府，为了维护自己的统治，必然想方设法来减低社会的熵。那就是制定严格的法律，通过法律使社会变得有序，也就是降低熵。这样，我们又有了“社会熵”的概念。那么影响或决定我们人类社会发展方向的熵变，应该包括自然熵、信息熵、社会熵等。社会熵是社会无序程度的度量。人类社会的发展也是按照熵增的方向进行的。一定的社会形态持续的时间长短，取决于统治者如何控制社会的熵增。当然，社会是一定要前进的，正如生命、宇宙一样也许都要“轮回”。

六 自然与人

熵增定律从本质来看是一种决定论，而且和我们以前认识的所有定律一样，是一种“单向”定律——它一直就隐藏在自然变化之中，只不过是被人类发现了而已。既然任何的自然过程都是按照其自身的规律发展的，也就是按照熵增的方向进行的，自然早已把结局当成定数赋予了人类，那么，人类难道就真的无能为力了吗？

人与自然的关系决非简单的“单向”定律就能涵盖，如果把生命统统都看作是一次短暂的化学反应，那一切都将是毫无意义的。其实人与自然应该是和谐共存的关系。中国有句古话——知命造命。人（包括个体和人类）的命运是可以通过后天努力去改变的，所以，问题的关键不在于我们该怎样改变自然，而在于应该怎样看待自然。是当作一个有机鲜活的“生命”整体，还是当作一堆等待反应的物质材料。唯物辩证法认为：世界由物质和意识构成。任何问题如果回避精神而只谈物质，都将是片面而狭隘的。即便是从熵增原理出发，自然是按照熵增的方向进行的，但是人类可以影响熵变的。更何况，我们还有信息熵、社会熵，都可以用于控制自然的熵变。再说，自然的方向是不可逆的，是指在自发的情况下。其实只要通过人力就可以改变自然的方向，不过，我们改变的只能是局部的、个别的自然方向，这种局部或者是个别的改变，将以牺牲全局的熵变为前提。例如，空调的使用，就可以使热量从低温物体传给高温物体。它带来的仅是局部生存的舒适，但是它给整个自然界带来的是灾难。

人类生于自然，长于自然，我们可以改变自然，但是在改变自然之前，应该好好考虑。现在我们经常谈论的可持续发展，也许就是人类社会发展的正确之路。

参考文献

［1］黄淑清等.热学教程（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1994

［2］汪志诚.热力学统计物理（第三版）［M］.北京：高等教育出版社，2003

［3］伊•普里戈金、伊•斯唐热.从混沌到有序［M］.上海：上海译文出版社，1987

［4］刘志国.熵增加原理的微观本质与适用范围［J］.株洲师范高等专科学校学报，1999（12）

〔责任编辑：李锦雯〕

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