熵的社會學意義

作者: 阮一峰

日期: 2013年4月9日

1、

上周,我讀完了《熵:一種新的世界觀》。

作者是兩個經濟學家,他們寫了一本物理學的書!正如經濟學家所擅長的,書中充滿了夸大偏頗的描寫,以及片面的和邏輯不嚴密的論證。而且這本書(英文版)出版于1980年,內容不是很新。

但是,我不得不說,他們的結論說動了我:從熵的角度看,如果不改變發展模式,人類無法繼續發展。我還發現,熵是一種解釋力極強的理論,許多現象都可以用熵來解釋,看上去非常合理。

下面我就來解釋,什么是熵,以及為什么它會影響人類社會的發展。

2、

根據熱力學第一定律,能量是守恒的,可以互相轉化(比如機械能轉化為電能),而不會消失。

熱力學第二定律進一步指出,雖然能量可以轉化,但是無法100%利用。在轉化過程中,總是有一部分能量會被浪費掉。比如,汽油含有的能量可以轉化成發動機的能量,但是會伴隨產生大量的熱能和廢氣。即使科技再發達,也無法將被浪費的能量減小至零。

寫成公式就是:

能量的總和 = 有效能量 + 無效能量

有效能量指的是,可以被利用的能量;無效能量指的是,無法再利用的能量,又稱為熵。所以,熵就是系統中的無效能量。

考慮到宇宙的能量總和是一個常量,而每一次能量轉化,必然有一部分有效能量變成無效能量(即熵),因此不難推論,有效能量越來越少,無效能量越來越多。直到有一天,所有的有效能量都變成無效能量,那時將不再有任何能量轉化,這就叫宇宙的“熱寂”(Heat Death)。所以,熱力學第二定律的一個重要推論就是:熵永遠在增加。

3、

熱力學第二定律只是定義了熵,沒有解釋熵的產生原因:為什么總是有一部分能量無法再利用?

1877年,奧地利物理學家玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)對熵做出了令人信服的解釋。

他認為,任何粒子的常態都是隨機運動,也就是“無序運動”,如果讓粒子呈現“有序化”,必須耗費能量。所以,能量可以被看作有序化的一種度量。熱力學第二定律實際上是說,當一種形式的有序化轉化為另一種形式的有序化,必然伴隨產生某種無序化。一旦能量以無序化的形式存在,就無法再利用了,除非從外界輸入新的能量,讓無序狀態重新變成有序狀態。

熵就是無序化的度量。考慮到無序化代表著混亂(實質是隨機運動),可以得到三個重要結論。

結論1:如果沒有外部能量輸入,封閉系統趨向越來越混亂(熵越來越大)。比如,如果房間無人打掃,不可能越來越干凈(有序化),只可能越來越亂(無序化)。

結論2:如果要讓一個系統變得更有序,必須有外部能量的輸入。

結論3:當一個系統(或部分)變得更加有序,必然有另一個系統(或部分)變得更加無序,而且“無序”的增加程度將超過“有序”的增加程度。

4、

上面三個結論在物理學上是很明顯的。假設一杯冰水,如果沒有外部能量輸入,在常溫下冰塊將會融化(結論1);要讓它變得更冰,必須有外部能量的輸入(結論2);當它變得更冰的同時,周圍的溫度一定會升高(結論3)。

如果社會現象也符合熱力學定律,那么就可以用這三個結論來推斷社會現象。

如果沒有能量輸入,人類社會將變得越來越混亂(結論1);人類社會要變得更進步(有序化),必須要有能量輸入(結論2);這種能量輸入最好來自地球以外(比如太陽能)。如果只是使用地球上的能源,必然意味著在人類社會變得更有序的同時,地球的某個部分將變得更無序(結論3)。

于是,問題的關鍵就是,人類是否能找到足夠的能源?

5、

1804年,世界人口達到10億;1927年,達到20億;1974年,達到40億;1999年,達到60億;2011年10月31日,達到70億。專家估計,2025年達到80億,2045年達到90億。

由于生活水平的提高和維持現行秩序的需要,如果人口增加1倍,所需要增加的能量將不止1倍。因此,能源的增長速度必須高于人口增長速度 + 經濟增長速度,才可能支持人類社會現在這種發展。

麻煩的是,能源幾乎肯定無法這么快地增長。太陽能,以目前的技術,大規模使用還不現實;化石能源,應該都會在本世紀內開采光;核能、水能和風能,將是未來的主要能源,但是都有各自的弊端(核廢料、水壩、高昂的設備成本等等)。更要命的是,根據熱力學第二定律,使用系統內的能源,必然增加系統內的熵。

這意味著,如果人類單純依靠地球自身的能源,地球必將變成一個越來越混亂的地方。

6、

目前的種種環境問題----空氣污染、水污染、冰山融化、生物滅絕----其實都可以歸結為熵的增加。

就連人類心理、思維、價值觀上的混亂,也可以歸結為熵的增加。比如,計算機系統是高度有序的系統,維持計算機系統的秩序,需要大量人類思維的輸入。根據熱力學第二定律,計算機系統越有序,對應的人類思維就越無序。這解釋了為什么世界上一些最好的科學家和程序員,在世人眼里,都有點不太正常,甚至行為混亂。這還解釋了,為什么工業時代和信息時代的到來,伴隨著人類的心理和精神疾病患者激增。

一句話,除非減少能源消耗和降低人口,否則人類沒有未來。

7、

《熵:一種新的世界觀》的摘錄

  • 熱力學第二定律告訴我們,物質與能量只能沿著一個方向轉換,即從可利用到不可利用,從有效到無效,從有秩序到無秩序。熱力學第二定律實質上就是說宇宙萬物從一定的價值與結構開始,不可挽回地朝著混亂與荒廢發展。

  • 熱力學的兩個定律可以用一句簡短的句子來表達: 宇宙的能量總和是個常數,總的熵是不斷增加的。

  • 熵是不能再被轉化作功的能量的總和的測定單位。

  • 能量只能沿著一個方向----即耗散的方向----轉化,那么污染就是熵的同義詞。

  • 世界的熵(即無效能量的總和)總是趨向最大。

  • 在一個封閉的系統里,物質的熵最終將達到最大值。

  • 當熵處于最小值,即能量集中程度最高、有效能量處于最大值時,那么整個系統也處于最有序的狀態。相反,熵為最大值、有效能量完全耗散的狀態,也就是混亂度最大的狀態。

  • 如果沒有外界作用,那么物體是不會自動趨于井井有條的狀態的,每個打掃過房間或在辦公室工作過的人都知道,如果東西不加收拾,那么它們就會越來越亂。而要使物體重新歸于秩序那就又要進一步花費能量。

  • 我們應該強調某處發生的熵的逆轉,都必須以周圍環境的總熵的增加為代價。這是因為每發生一件事情總會有一定能量被耗散,并不能再被利用了。

  • 每次在一定地點由人力或機器造成的熵的減少,都伴隨著周圍環境熵的更大增值,從而保持了熵的總值的必要增加。

  • 大爆炸學說符合熱力學第一和第二定律,它聲稱宇宙是以有序的狀態開始,并從此不斷地向無序的狀態發展。宇宙的熵最終必然達到最大值,熱寂必然會到來,那時所有的有用能量已被消耗一空,宇宙中再也不會有任何變化發生。宇宙的熱寂相當于永恒的寧靜。

  • 時間體現了能量從集中狀態到耗散狀態,從有序狀態到混亂狀態的變化。如果熵的過程是可以逆轉的,那么過去發生的一切都可以挽回。

  • 能量本身永遠從有效狀態轉化為無效狀態。

  • 我們的朋友一個個衰老死亡。我們坐在火堆旁,看著火苗慢慢燃盡,只留下灰白色的灰燼。我們歷經滄桑變遷,而這個經歷就是熵定律的展開。這就是不可逆轉的能量耗散過程。

  • 每當發生任何事情,世界上的能量就有一次耗散,熵的總值就有一次增加。說時光就要流逝完就是說世界的有效能量將要告罄。

  • 世界上的能量消耗越快,可能發生的事情剩下的也就越少,世界上所剩下的時間也就相應地越來越少了。

  • 當世界達到最大熵狀態,再無更多能量作功的時候,由于萬物陷于一片沉寂,時間便會終止。

  • 有機體的生長所體現的熵的微小的、局部的遞減,都伴隨著宇宙總熵的更大范圍的遞增。

  • 所有東西將是以某種原材料(有效能量)開始, 而最后又將以廢物(無效能量)而告終。

  • 技術只不過是自然界所蘊藏的能量的轉化器。

  • 熵定律告訴我們,每當一定的有效能量被消耗掉,周圍環境的混亂就會増加。現代工業社會巨大的能量流通,給我們居住的世界帶來了極大的混亂。技術現代化的進程越快,能量轉化的速度也就越高,有效能量就耗散得越多,混亂程度也就越大。

  • 我們竭力把一切活動技術化、條理化,而結果只是加快了能量轉化和熵的過程。

  • 我們越是把技術擴散到整個文化中去,整個社會就越是支離破碎,熵的增加也就越快,混亂程度也就越大。我們當代世界的危機觸目驚心的道理就在這里。

  • 我們使用的合法貨幣就代表著對我們以前所投入的能量的報酬。歸根到底,貨幣只是對貯存著的能量的債權而已。工資就是對人們所作的功或所耗的能的報酬。

  • 城市越大,所需輸入能量就越多。流進城市的能量越多,隨之而來的混亂就越厲害,混亂越厲害,組織內部結構便更趨龐大以對付各種騷亂,這個過程不能被永久地維持下去。

  • 求知過程是一種違反熱力學第二定律的活動,它或者樹立更嚴格的秩序或者發展負熵。

  • 我們正在很快地接近礦物燃斜能源環境的極限。如果我們坐以待斃,我們就會發現,我們根本沒有剩余能源可用來渡過難關。

  • 我們即將進入的低熵時代要求我們大幅度減少世界人口。

  • 人類要生存,唯一的希望就是放棄對地球的掠奪,轉而適應自然秩序。

最后生成于 2018-7-9 07:42:01

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