熵的社会学意义

作者:阮一峰

日期: 2013年4月9日

1、

上周,我读完了《熵:一种新的世界观》。

作者是两个经济学家,他们写了一本物理学的书!正如经济学家所擅长的,书中充满了夸大偏颇的描写,以及片面的和逻辑不严密的论证。而且这本书(英文版)出版于1980年,内容不是很新。

但是,我不得不说,他们的结论说动了我:从熵的角度看,如果不改变发展模式,人类无法继续发展。我还发现,熵是一种解释力极强的理论,许多现象都可以用熵来解释,看上去非常合理。

下面我就来解释,什么是熵,以及为什么它会影响人类社会的发展。

2、

根据热力学第一定律,能量是守恒的,可以互相转化(比如机械能转化为电能),而不会消失。

热力学第二定律进一步指出,虽然能量可以转化,但是无法100%利用。在转化过程中,总是有一部分能量会被浪费掉。比如,汽油含有的能量可以转化成发动机的能量,但是会伴随产生大量的热能和废气。即使科技再发达,也无法将被浪费的能量减小至零。

写成公式就是:

能量的总和 = 有效能量 + 无效能量

有效能量指的是,可以被利用的能量;无效能量指的是,无法再利用的能量,又称为熵。所以,熵就是系统中的无效能量。

考虑到宇宙的能量总和是一个常量,而每一次能量转化,必然有一部分有效能量变成无效能量(即熵),因此不难推论,有效能量越来越少,无效能量越来越多。直到有一天,所有的有效能量都变成无效能量,那时将不再有任何能量转化,这就叫宇宙的“热寂”(Heat Death)。所以,热力学第二定律的一个重要推论就是:熵永远在增加。

3、

热力学第二定律只是定义了熵,没有解释熵的产生原因:为什么总是有一部分能量无法再利用?

1877年,奥地利物理学家玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)对熵做出了令人信服的解释。

他认为,任何粒子的常态都是随机运动,也就是“无序运动”,如果让粒子呈现“有序化”,必须耗费能量。所以,能量可以被看作有序化的一种度量。热力学第二定律实际上是说,当一种形式的有序化转化为另一种形式的有序化,必然伴随产生某种无序化。一旦能量以无序化的形式存在,就无法再利用了,除非从外界输入新的能量,让无序状态重新变成有序状态。

熵就是无序化的度量。考虑到无序化代表着混乱(实质是随机运动),可以得到三个重要结论。

结论1:如果没有外部能量输入,封闭系统趋向越来越混乱(熵越来越大)。比如,如果房间无人打扫,不可能越来越干净(有序化),只可能越来越乱(无序化)。

结论2:如果要让一个系统变得更有序,必须有外部能量的输入。

结论3:当一个系统(或部分)变得更加有序,必然有另一个系统(或部分)变得更加无序,而且“无序”的增加程度将超过“有序”的增加程度。

4、

上面三个结论在物理学上是很明显的。假设一杯冰水,如果没有外部能量输入,在常温下冰块将会融化(结论1);要让它变得更冰,必须有外部能量的输入(结论2);当它变得更冰的同时,周围的温度一定会升高(结论3)。

如果社会现象也符合热力学定律,那么就可以用这三个结论来推断社会现象。

如果没有能量输入,人类社会将变得越来越混乱(结论1);人类社会要变得更进步(有序化),必须要有能量输入(结论2);这种能量输入最好来自地球以外(比如太阳能)。如果只是使用地球上的能源,必然意味着在人类社会变得更有序的同时,地球的某个部分将变得更无序(结论3)。

于是,问题的关键就是,人类是否能找到足够的能源?

5、

1804年,世界人口达到10亿;1927年,达到20亿;1974年,达到40亿;1999年,达到60亿;2011年10月31日,达到70亿。专家估计,2025年达到80亿,2045年达到90亿。

由于生活水平的提高和维持现行秩序的需要,如果人口增加1倍,所需要增加的能量将不止1倍。因此,能源的增长速度必须高于人口增长速度 + 经济增长速度,才可能支持人类社会现在这种发展。

麻烦的是,能源几乎肯定无法这么快地增长。太阳能,以目前的技术,大规模使用还不现实;化石能源,应该都会在本世纪内开采光;核能、水能和风能,将是未来的主要能源,但是都有各自的弊端(核废料、水坝、高昂的设备成本等等)。更要命的是,根据热力学第二定律,使用系统内的能源,必然增加系统内的熵。

这意味着,如果人类单纯依靠地球自身的能源,地球必将变成一个越来越混乱的地方。

6、

目前的种种环境问题----空气污染、水污染、冰山融化、生物灭绝----其实都可以归结为熵的增加。

就连人类心理、思维、价值观上的混乱,也可以归结为熵的增加。比如,计算机系统是高度有序的系统,维持计算机系统的秩序,需要大量人类思维的输入。根据热力学第二定律,计算机系统越有序,对应的人类思维就越无序。这解释了为什么世界上一些最好的科学家和程序员,在世人眼里,都有点不太正常,甚至行为混乱。这还解释了,为什么工业时代和信息时代的到来,伴随着人类的心理和精神疾病患者激增。

一句话,除非减少能源消耗和降低人口,否则人类没有未来。

7、

《熵:一种新的世界观》的摘录

  • 热力学第二定律告诉我们,物质与能量只能沿着一个方向转换,即从可利用到不可利用,从有效到无效,从有秩序到无秩序。热力学第二定律实质上就是说宇宙万物从一定的价值与结构开始,不可挽回地朝着混乱与荒废发展。

  • 热力学的两个定律可以用一句简短的句子来表达: 宇宙的能量总和是个常数,总的熵是不断增加的。

  • 熵是不能再被转化作功的能量的总和的测定单位。

  • 能量只能沿着一个方向----即耗散的方向----转化,那么污染就是熵的同义词。

  • 世界的熵(即无效能量的总和)总是趋向最大。

  • 在一个封闭的系统里,物质的熵最终将达到最大值。

  • 当熵处于最小值,即能量集中程度最高、有效能量处于最大值时,那么整个系统也处于最有序的状态。相反,熵为最大值、有效能量完全耗散的状态,也就是混乱度最大的状态。

  • 如果没有外界作用,那么物体是不会自动趋于井井有条的状态的,每个打扫过房间或在办公室工作过的人都知道,如果东西不加收拾,那么它们就会越来越乱。而要使物体重新归于秩序那就又要进一步花费能量。

  • 我们应该强调某处发生的熵的逆转,都必须以周围环境的总熵的增加为代价。这是因为每发生一件事情总会有一定能量被耗散,并不能再被利用了。

  • 每次在一定地点由人力或机器造成的熵的减少,都伴随着周围环境熵的更大增值,从而保持了熵的总值的必要增加。

  • 大爆炸学说符合热力学第一和第二定律,它声称宇宙是以有序的状态开始,并从此不断地向无序的状态发展。宇宙的熵最终必然达到最大值,热寂必然会到来,那时所有的有用能量已被消耗一空,宇宙中再也不会有任何变化发生。宇宙的热寂相当于永恒的宁静。

  • 时间体现了能量从集中状态到耗散状态,从有序状态到混乱状态的变化。如果熵的过程是可以逆转的,那么过去发生的一切都可以挽回。

  • 能量本身永远从有效状态转化为无效状态。

  • 我们的朋友一个个衰老死亡。我们坐在火堆旁,看着火苗慢慢燃尽,只留下灰白色的灰烬。我们历经沧桑变迁,而这个经历就是熵定律的展开。这就是不可逆转的能量耗散过程。

  • 每当发生任何事情,世界上的能量就有一次耗散,熵的总值就有一次增加。说时光就要流逝完就是说世界的有效能量将要告罄。

  • 世界上的能量消耗越快,可能发生的事情剩下的也就越少,世界上所剩下的时间也就相应地越来越少了。

  • 当世界达到最大熵状态,再无更多能量作功的时候,由于万物陷于一片沉寂,时间便会终止。

  • 有机体的生长所体现的熵的微小的、局部的递减,都伴随着宇宙总熵的更大范围的递增。

  • 所有东西将是以某种原材料(有效能量)开始, 而最后又将以废物(无效能量)而告终。

  • 技术只不过是自然界所蕴藏的能量的转化器。

  • 熵定律告诉我们,每当一定的有效能量被消耗掉,周围环境的混乱就会増加。现代工业社会巨大的能量流通,给我们居住的世界带来了极大的混乱。技术现代化的进程越快,能量转化的速度也就越高,有效能量就耗散得越多,混乱程度也就越大。

  • 我们竭力把一切活动技术化、条理化,而结果只是加快了能量转化和熵的过程。

  • 我们越是把技术扩散到整个文化中去,整个社会就越是支离破碎,熵的增加也就越快,混乱程度也就越大。我们当代世界的危机触目惊心的道理就在这里。

  • 我们使用的合法货币就代表着对我们以前所投入的能量的报酬。归根到底,货币只是对贮存着的能量的债权而已。工资就是对人们所作的功或所耗的能的报酬。

  • 城市越大,所需输入能量就越多。流进城市的能量越多,随之而来的混乱就越厉害,混乱越厉害,组织内部结构便更趋庞大以对付各种骚乱,这个过程不能被永久地维持下去。

  • 求知过程是一种违反热力学第二定律的活动,它或者树立更严格的秩序或者发展负熵。

  • 我们正在很快地接近矿物燃斜能源环境的极限。如果我们坐以待毙,我们就会发现,我们根本没有剩余能源可用来渡过难关。

  • 我们即将进入的低熵时代要求我们大幅度减少世界人口。

  • 人类要生存,唯一的希望就是放弃对地球的掠夺,转而适应自然秩序。

您的评论

Build by Loppo 0.6.9