熵定律在自然界和社會中的作用
——用《資本論》解決中國的內憂外患（61）
人類總是在不停地忙碌期望建立一個有序的社會，但在我們周圍由無序引起的耗費卻越來越大。熵定律不僅在自然界中起作用，而且也在社會中起作用。
第一，熵定律在化學中的作用
人們一直認為科學起始于觀察，然而科學的進步不僅僅是靠觀察得到的堆積如山的數據，而且還要對觀察到的現象產生的原因提出為什么，并努力去發(fā)現產生這些現象的規(guī)律?；瘜W家總是想弄清某些自然發(fā)生的反應和變化的原因，為什么當反應的一方或雙方通過某些誘因——如在反應中增加某種形式的能量，就可停止或進行反應。例如，冷氫原子會產生結合反應，而熱氫原子卻會產生分裂反應；磷暴露在空氣中會燃燒放出磷光火焰；波特認為這是“自然界不惜任何代價增加熵的總量的趨勢所決定的?！被瘜W家按照熱力學第一定律和第二定律，為所有化學反應過程找到了理論根據。將第一定律即能量守恒定律應用于化學，可說明在所有化學反應過程中，整個系統(tǒng)（化學反應物和產物）和它所在的環(huán)境的能量總量保持不變。多年以后，經過熱力學研究和試驗，化學家發(fā)現，可依據第二定律對化學反應發(fā)生方向做出合理的解釋。自然環(huán)境中趨向于增熵的自然趨勢是支配所有化學行為的最高準則?；瘜W家計算出了各種自然發(fā)生的化學反應過程熵的全部變化。在所有化學反應中他們發(fā)現（系統(tǒng)內和外界）熵總是處于增加的狀態(tài)。我們所說的化學反應不管是自然發(fā)生的還是人工合成的，結果都一樣：會出現一個熱力學系統(tǒng)的增熵。這意味著我們生產和使用的化學品越多，就越發(fā)增加我們環(huán)境中的無序。
第二，熵定律在環(huán)境問題中的作用
環(huán)境污染問題是第二定律作用的結果。第二定律告訴我們，自然界存在一個從有序——低熵，向無序變化的永恒趨勢。一般說來，粒子和分子不喜好被限制，假設可以有一個選擇，它們更喜歡自由地在周圍漫游。例如，我們把所有空氣從一個密封的房間里抽走，將其壓進小瓶中用瓶塞塞好。如果拿走瓶塞這房間里馬上會充滿了空氣：因為氣體分子了不呆在瓶中，而是自由漫步在一個更大的空間。波爾茨曼解釋了這個現象，空氣分子在大空間里能夠分布的方式比小空間多，氣體分子分布方式越多它的統(tǒng)計概率就越大。因為一集合體的統(tǒng)計概率的對數，是該集合體熵的一個量度標準，用波爾茨曼推導式計算結果表明：空氣的熵在房間比在瓶子里大。這一點與熵定律——總趨勢隨無序的增加而增加相符。
熵增加的另一個途徑是：容積不變，分子運動的方式類型發(fā)生變化，可引起增熵。固體比液體的熵低，而液體的熵又比氣體的低。因為在固體狀態(tài)下，分子自由運動的方式類型最少，而氣體分子自由運動方式的類型最多。在某一特定的空間內分子的數量增加也可增熵。把這一原則應用到人類社會，我們整個世界的熵正隨著全球日益膨脹的全球人口的增加而增加就很好地理解了。污染就是各種有毒氣體做為熵在大氣中的擴散。
第三，熵定律在人類生活中的作用
人類生活需要能量，在不斷向人類系統(tǒng)內部輸進能量也會引起該系統(tǒng)熵的增加。因為加進能量后，分子運動的速度加快了。可見隨著人類不斷發(fā)展技術，使我們運送物質、貨物、化學品、武器、人、機器和通訊的速度越來越快，我們的世界也日漸轉入從未有過的高熵狀態(tài)。人類也可以被分成低熵和高熵兩類。高速、高能的人是高熵人，這些人想要做的事情太多，把越來越多的事物塞進越來越不夠用的時間里，他們生活在快速車道中，結果，快速、高熵的生活方式開始對人的健康造成損害。這種損害可能是潰瘍、突發(fā)心臟病、精神崩潰等病。醫(yī)生勸這些人放慢生活節(jié)奏，降低生活熵值，以低速、低能的方式生活。
熱力學告訴我們，對某一系統(tǒng)進行增能的方式是加熱，加熱會使分子運動加快。從而達到系統(tǒng)增熵。在熱力系統(tǒng)中，一個較冷的系統(tǒng)比一個加熱的系統(tǒng)更有序。一般認為激昂、興奮的局面就是混亂、危險的開始。熱是度量一個系統(tǒng)內部無序和能量的量。因此，在人類的經濟活動中，過熱經濟，即經濟整體處于熱的狀態(tài)。當任何一個系統(tǒng)發(fā)生過熱而失去控制時，我們就用“凍結”來表示為使其進入有序狀態(tài)而采取的一項措施。
熱力學還告訴我們，分子分裂或分解是系統(tǒng)增熵的另一條途徑。自然界存在一種分子分裂和分解的趨勢，這一趨勢也存在于人類社會。當一個社會的離婚率增加時，整個社會的熵將上升，家庭破裂越頻繁社會無序狀態(tài)的程度就越高。
第四，熵定律在制造業(yè)中的作用
熵定律并不妨礙自然界創(chuàng)建像鉆石和水晶石這一類高度組織化、有序化的物質。當大自然在做一些功消耗一些能量創(chuàng)建晶體的同時，給環(huán)境帶來的無序比在晶體內的有序更多。晶體形成之后，熱力學系統(tǒng)的熵更大。像自然界一樣，人類能夠制作晶體和鉆石，而且可以和自然造成的比美。值得提醒的是，在制作過程中，帶給我們環(huán)境的無序多于制作的鉆石內部的有序。同樣的，當人類從銅礦中提煉銅，制作銅片時，礦石的無序（熵）的減量不能抵消環(huán)境中由增熵引起的無序增加的那個量。如金礦的開采，最后煉成的黃金，僅僅是開采量的0.00033%，其余的最后都成為環(huán)境中毒性很大的廢棄物。根據第二定律，只要我們愿意以增加整個世界的熵為代價，我們就能夠從無序中建立有序。不管人類是自然地從有序走向無序還是從無序中創(chuàng)建有序，都必須做功、耗能，因而宇宙間會增熵，現代人類一直在快速地增加他們整個熱力學系統(tǒng)的無序，同時又一直相信：它們在另一無序環(huán)境中創(chuàng)造有序。
第五，熵定律造成的總結果是“過熱死”
17世紀后期牛頓發(fā)現了萬有引力定律，描述了宇宙間所有物體的運動方式。按這個定律，宇宙萬物的每一個粒子與另一個物體的每一個粒子通過萬有引力互相作用。兩物體之間的引力大小與兩物體的質量成正比，與兩物體之間的距離的平方成反比。如果一物體的質量加倍，那么，該物體對另一物體的引力也加倍。如果兩物體之間的距離加倍，兩者之間的引力就減少到原來的1/4。牛頓的發(fā)現引導出一幅“像時鐘一樣有規(guī)律”的宇宙現象。但是，熵定律大大改變了我們對自然的看法其中包括萬有引力對宇宙天體運動的解釋。按牛頓定律，萬有引力所產生的力或能量具有無損耗的性質。但第二定律對自然機械論給予了致命的打擊。第二定律拋出了熵、自然過程不可逆、物質-能量消耗概念，使機械論的世界觀無法承受，退出了歷史舞臺。開爾文指出，當一個不可逆的過程產生熱時，就存在能量的消耗，完全恢復到它的初始狀態(tài)是不可能的。開爾文闡述了自然界的能量在逐步消失的事實，總有一天地球將不再適宜人類居住。幾年后，我們的自然界總是有序的的幻想再次受到亥姆霍茨的當頭一棒，他宣稱，宇宙正面臨“耗盡”其所有、最后達到最大熵的境地。到那時，所有能用的能量都將耗盡，所有的溫度將消失，宇宙將達到絕對完全一致的狀態(tài)，我們將走向宇宙的“過熱死?！?/span>
第六，人類與熵定律的抗爭
熱力學定律分為三類，一個孤立系統(tǒng)與外界既無能量交換也無物質交換。這適合于宇宙，因為宇宙包羅萬象不存在什么“外界”。當能量——而不是物質——在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行交換就是第二種形式，即“封閉的熱力系統(tǒng)”。當系統(tǒng)熵與外界環(huán)境熵的增加接近最大值時系統(tǒng)處于平衡，熵停止產生。實際上，地球和太陽都是封閉的熱力系統(tǒng)。還有一種系統(tǒng)形式——與外界既能交換能量也能交換物質的開放系統(tǒng)。熵定律概念也能擴大到這種開放系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中整個熵的交換必須區(qū)別兩個概念：1，出現在系統(tǒng)與環(huán)境之間交換的熵；2，系統(tǒng)內產生的熵。這個熵必須是正數。
人總是要活動的。從科學概念看，人類是一個符合熱力學定律的熱力學系統(tǒng)。我們從環(huán)境中吸收化學能形式（食物和氧）的能量（Q）,并通過散步、跑步，或做其他體力活動做功（W）。按照第一定律，如果所有能量平衡（Q-W）后是正數，我們會增加一些體重。如果超重，我們應該減少熱卡，或做更多的工作。盡管人類被經常比作熱機，但我們在許多方面更類似于燃料電池，是一個恒溫熱力裝置，除了做功我們還力爭保持恒溫。因此，通過化學反應——食物與氧結合所釋放的能量，不僅被用于做功而且也可將熱傳遞到外界環(huán)境。
第一定律肯定適應于人體的。一天中，如果通過食物氧化產生的熱卡超過身體支出的熱卡，這部分熱卡將主要以脂肪形式儲存在人體內，一個健康的人體內儲存能量平均大約是75000熱卡。如果我們不動躺在床上，仍會有大約每天1000卡的速度釋放出熱量（每小時43卡）。不呈現熱力平衡狀態(tài)的宏觀系統(tǒng)也將依照第二定律自然地增加它的熵。緩慢地趨向更無序狀態(tài)并衰退且趨向一種惰性的平衡。因此，需要消耗一個恒定的功（熵產生）來避免宏觀系統(tǒng)迅速衰退進入一個惰性平衡，并將其恢復到適當狀態(tài)。動物體通過吃、喝、呼吸，對植物而言，是通過吸收、合成與分解，來避免衰退。這個過程叫新陳代謝，即變化或交換。
與摩擦機械系統(tǒng)不同，開放熱力學系統(tǒng)在沒有熵增加的情況下是不能運轉的。因此，生物體內發(fā)生的循環(huán)過程，就像自然界其他生態(tài)循環(huán)一樣，之前將伴隨著一些熵的產生，在每個循環(huán)結束時，不論是這個系統(tǒng)還是系統(tǒng)周圍環(huán)境都不可能再完全準確地回到它的初始狀態(tài)。當一個生物體感到不安時，它的熵生產量會增加。但是，這個生物體系統(tǒng)會通過回復到某種狀態(tài)使其熵降低到最小值的方式進行調節(jié)。如果體溫升高，身體衰退和壞死的速度會隨著身體內大分子變性的增加而增加。在一定生理運行范圍內，體內可作出反應使體溫下降，熵降到最小。這個過程稱為負反饋。如果體溫超過生理運行范圍，系統(tǒng)失去控制——便走向正反饋。
薛定諤提出了一個基本問題：一個生命有機體怎樣才能避開死亡？它是通過不斷從周圍環(huán)境吸取“井然有序”，并以其體內的熵增值做為回報的方式來避開死亡的。這就是負熵。薛定諤認為，按照波爾茨曼的公式如果Ω“是量度無序的量”，它的倒數1/Ω,可以看成是“量度有序的量”。因為1/Ω的對數是負Ω的對數，薛定諤就把波爾茨曼的公式改寫成-（熵）=KIn(1/Ω),薛定諤的公式告訴我們，負熵總是一個負數。重要的是人類不能吸收比他生命期生產出來的還要多的食物的方式，來使熵向相反的方向變化。維持我們生命的新陳代謝過程本身會產生熵，這個涉及不斷增加熵的生命過程應是受熱力學第二定律支配的。生物體為免于自身死亡的抗爭，使其必須從它的外界環(huán)境中吸收高度有序的——低熵——物質，用這些物質去維持有序。反過來生物體因此要向外界環(huán)境釋放大量退化形式——高熵的物質，這便是生命有機體為維持生存和進化而進行的高熵與低熵之間的交換。
第七，熵定律在知識領域中的作用
在日常生活中，現代人類確確實實耗費了一定數量的能量用來獲得和傳播知識?？茖W數據的觀測、獲取、保存和一些查詢結果的傳播，需要做功，通過這些運作過程，功被轉換成知識，因此，我們必須為獲得、積累和組織我們所儲備的知識而消耗能量，由此引起增熵。
隨著能量不斷地被吸收進我們的信息收集運作過程，知識體系的容量將不斷擴張，變得越來越復雜，這時它又反過來從我們這里吸收更多的能量。隨著時間的推移，我們需要付出更多的努力，需要動用更多的科學家和知識分子來推進知識進入更高的復雜層次。我們投入到某個系統(tǒng)的能量越來越多，而我們得到的產出越來越少，因為隨著系統(tǒng)的熵的增加，這個熱力學系統(tǒng)日益膨脹，我們對它的不了解程度也在增加，經濟學家稱這種現象為收益遞減率。對此，我們通過專業(yè)化的方式來抗爭知識的復雜化和高熵化，即把知識分成多個領域，使我們的投入關注力的領域越來越窄，以減少知識的復雜化、高熵化程度，但反過來又導致增加了各專業(yè)之間人們進行信息交流的難度。
知識的早期形成過程像宇宙一樣：由最初集中、簡單的低熵狀態(tài)向漫射、復雜的高熵狀態(tài)進化。例如，早期的物理學定律都集中在牛頓的力學定律之中，后來引入電磁現象、熱和熱力學、統(tǒng)計力學、原子核物理學、量子力學和相對論、基本粒子物理學，直到最新出現的——愛因斯坦夢想的一種可能將自然界所有4種力統(tǒng)一稱為“大統(tǒng)一理論”——弦理論。
不可逆過程概念也被應用到我們知識的積累過程。隨著知識的擴張，它的熵也不可逆的增加。因為我們不可能使我們的知識基礎——整個的基礎退回到過去，使我們的知識獨自到一個世紀前：不知道E=mc2,也不知道物質轉化能量的技術。結果，我們所獲得的每一條只是，特別是有關自然界內部運作方式的知識，再加上該知識應用到實際中所需要的知識都是一個從低熵到一個高熵的熱力學發(fā)展過程。應用知識也將不可逆地改變我們的熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)。隨著時間的推移，應用知識向我們索取的才智將越來越多。
知識的傳播就是教育。在現代社會里，教育系統(tǒng)在把我們的社會從一個簡單實體向復雜實體的轉化中扮演了一個重要的角色。教育系統(tǒng)向一個簡單、低熵的人類社會灌輸日益復雜的思想、程式和理論，使其轉變?yōu)楦哽?、復雜的人類社會。我們投放到教育系統(tǒng)的能量越多，它就會擴展得越大，變得越復雜。隨著教育系統(tǒng)產出的擴大，社會的熵相應遞增加。受過教育的人發(fā)明工具、機器和技術不僅能增加我們所生存的世界的復雜程度，而且甚至能增加我們生產更復雜工具、機器和技術的生產能力。例如過去用計算尺，現在用電子計算機。首先是科學家和工程師們變得依賴計算機。然后其他專業(yè)逐漸加入這個群體，經濟學家、社會學家、政治學家和分析學家開始運用計算機產生越來越多的數字，或“有關統(tǒng)計表”。用通過民意測驗、人員流動、財政記錄、測量等得來的數據，開始建立復雜的社會模型：在經濟學中建立“經濟計量學”，在歷史學中建立“力量歷史學”和在行為學中建立“心理測量學”。
隨著知識的積累越多，知識的無序狀態(tài)就越明顯。我們的知識——已經記錄在我們的大腦、書本、雜志、報紙、出版物和計算機里的——我們對自然、對我們自己，對我們的發(fā)明了解的所有知識，像其他自然過程一樣，也遵循無序漸增規(guī)律。隨著時間的推移，我們積累了越來越多的錯誤信息。錯誤信息并不總是能夠得到更正，自然而然，隨著報紙、雜志、書籍、計算機、收音機、電視以及所有記錄和傳播信息的媒體，這種偶爾出現的差錯，知識領域的無序因此而被放大和傳播。我們的教科書也不例外。一些教科書出現實質性錯誤、誤傳科學基本概念，非常混亂。錯誤的范圍從單純的過于簡單到嚴重程度升值連牛頓本人對他的定律的誤解都來自從書本上學來的“事實”。而且，這種無序狀態(tài)像“蛆”一樣繁殖，因為在唯利是圖上，越新的教科書與它的前輩——由掉進錢眼的書商制作出來的產品——跟得越緊。造假丑聞包括一些最有聲望的高校、實驗室和醫(yī)院，他們偽造實驗結果，特別是在生物醫(yī)學領域。
知識的無序從何而來？馬丁說知識的無序起源于高等教育。夏爾丹說“人的最基本的品質，所有完美在于他的第二層次的悟性天賦。他不僅知道，而且知道他本人所知道的。”雖然是否意識到“知道我們所知道”這一點固然意義深長，但是否意識到我們的基礎知識所處狀態(tài)，這比前者的意義重要得多，我們的知識不僅處在一個高熵狀態(tài)——無序——而且它的熵正在迅速增加，這正是我們現在應該意識到的。
勞動者2017年3月1日
