熵定律的真正意义

 熵定律的真正意义

——用《资本论》解决中国的内忧外患（64）

热力学第二定律一直被描述为关于能量-质量消耗的定律。因为热力学第一定律阐述的是能量守恒，又因为第二定律阐述的是能量在转换中的耗散，所以随着资源和能量在转换过程中可利用的能量越来越少和被降解的越来越多，第二定律得出：我们正在消耗我们的资源和能量的结论。那么，熵定律对我们的生存的真正意义是什么呢？

第一，认识和解决资源和能源的消耗问题

   随着人口正不断增加，世界正在以一个飞快的速度降解和消耗其有限的资源。人们提出：如果对现在这种趋势不加以扭转，那么将发生更大的动乱，甚至会出现现有文明和世界经济系统全面崩溃的局面。

人类从煤矿、木材、石油、天然气、核能以及所有来源中最大的一个来源——太阳辐射中获取了大量的可利用的能量。对于我们来讲，最重要的能量来源，现在是、将来也将是我们的太阳。从适合于所有用途的角度看，太阳能是丰富的、无穷无尽的。正如特勒提醒我们的：“太阳已经照耀了50亿年，它没有什么理由不在继续照耀50亿年或更多亿年。”

该定律一方面——重视可利用能源和资源——对我们来讲已不再是问题。然而问题的另一方面仍然存在，这另一方面即：在所有能量-质量的转化过程中，通过在该热力学系统增熵的方式强迫其接受一个惩罚。几百年来我们所面临的最大危险不在于能源的短缺而是能源的过度利用，这种能源的过度利用既出于我们各自个体生存的需要，也是为了对环境进行操纵。每当我们完成一些工作或将能量-质量从一种形式转换为另一种形式时，我们都将向第二定律支付我们应该支付的款项。

普朗克注意到热力学第二定律常常以这种方式被定义：机械功可被完全转换成热，而反过来由热转换成机械功这个转换则一定是不完全的。这种热不能完全转换成机械功的说法来自于卡诺原理，即在热发动机里，一定数量的热总是消耗在温度较低的蓄水池（环境）中，因此，输出的机械功不可能等于输入的热。

能量耗散概念最早是开尔文在他的划时代论文中提出并普及开来的，“自然界总是趋向于机械能耗散，”他列举了许多物理过程来说明这个观点，当一个物理过程发生机械能的消耗而不能完全恢复到它的初始状态时，便意味着这是一个不可逆过程——这是热力学第二定律的中心命题。

第二，认识温室效应问题

自然界以煤、天然气、石油和汽油的形式为我们提供了丰富的、使用方便的能源。大约从两个世纪前发生工业革命以来，这些石化燃料的消耗被戏剧性地增加。所有石化燃料既包括碳——煤和石墨，也包括碳氢化合物——像甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和辛烷。当它们和氧混合得到完全燃烧时，便生成二氧化碳和水进入大气层，二氧化碳——一种无关痛痒的气体，可存留在环境中长达几十年——最终它将溶解在海洋里，并以石灰石的形式沉淀在海底。

石化燃料——主要是石油和煤——消耗的加速，二氧化碳喷涌进入大气层的数量正稳步增加，而同时人类又正在系统地毁坏可以自然地吸收二氧化碳的雨林，因此自工业革命以来，大气层中二氧化碳的浓度已增加了30%。1998年大气中的二氧化碳浓度达到42万年以来最高水平。那么，既然二氧化碳是一种无毒气体，对其浓度的增加又有什么可担忧的呢？对二氧化碳的担忧不在于它的化学性质，而是它的物理性质。二氧化碳允许太阳光进入大气层，但可阻止从地面返回的低能红外热辐射再进入外层空间，由此打乱了植物的温度调节系统，造成我们所说的“温室效应”的现象。二氧化碳吸收热辐射的功能，犹如在地球上罩了一床热毯，使地球温度上升。

其他对温室效应作出贡献的气体包括;甲烷、氮氧化合物和氟氯化碳。我们燃烧的木材越多，喂养的牲畜越多，产生的甲烷就越多，化肥和汽车发动机产生氮氧化合物。人工合成的氟氯化碳可在电冰箱和气溶胶喷射剂中发现。

气候变热会带来许多副作用，例如，较高的温度会使水膨胀。二十世纪依赖热膨胀已经使得海平面上升了4英寸。如果两极地区变暖，极地冰帽将部分熔化，淹没沿海低地，那么，纬度较高的国家的气候将经受比近赤道地区更大幅度的变暖，内陆地区将忍受比沿海地区更热的天气。

由于热力学变化，气候变化会贯穿整个历史时期，但现在关键是气候变化的速度。我们预计目前气候变化速度比人类史上任何一个时期都要高得多。但是，生态系统将无法迅速地进行调节，变化越快，其调节作用陷入混乱的几率越高。

热动力学告诉我们，热是能量的一种形式。因而，温度越高意味着对地球气候能产生影响的能量就越多，反过来也意味着蒸发作用越强烈，破坏性暴风雨、河流洪水泛滥出现的几率就越高。随着更多温室气体的散发，更多森林被毁坏。

第三，认识高技术环境中的熵问题

因为美国正越来越走向一个与工业社会截然不同的信息社会，致使一些人认为环境的混乱状态将有所减少，因为有利于无污染的计算机、微芯片和通讯业的发展，污染——浓烟工业将被关闭。但是，全球范围内的熵的产量并不会减少，因为这些浓烟工业将转移到发展中国家。但无论怎样，计算机会产生它自己的环境熵这个问题仍然存在。硅、铜或其他天然材料是怎样变成微芯片的？通过复杂的热力学过程。全程追踪——从开始到结束——所有这些过程，我们会发现现在制造芯片的过程中需要使用许多化学品——其中一些化学品有毒。芯片生产的越多，在制造芯片过程中所需要的有关气体、酸、掺杂物和溶剂就越多。微电子工业每天都喷发大量的“活性组织气体”到空气中，由这些化合物够成了光化学烟雾。计算机和其他高科技设备还产生一种称之为“杂乱信号”和“噪音”的环境熵。电子产品，不论是微波炉、计算机或阴极射线管都会对无线电电波在空气中的传播产生一个推动力。这种无形的电磁污染——一种有害的电子气体的副产品——从喷气式飞机到酒后驾驶测试等操作过程都要受到它的干扰，电磁波因此而被谴责。与宇宙形成时受自然力的控制、生命依赖地球自然的的电磁环境而生存一样，生命现象也受相同自然力量的控制，今天，这一自然环境已淹没在从前从未出现过的电磁场的洪流之下，无线电通讯、电视信号、微波发送、高压线、雷达和其他来往于我们世界的电磁流和电磁波构成了人造电磁环境。

第四，认识我们能够控制自然过程问题

瓦特发明了蒸汽机的控制装置，叫做调节器，这个被附在蒸汽机上的调节器，用一个由蒸汽机转换过来的少量能量去控制整个能量转换速度。蒸汽机负荷什么时候需要更多或更少动力由调节器确定，并把相关信息传达到节流阀，命令其根据需要放出更多或更少的蒸汽，这一过程称之为反馈控制。随着维纳《控制论》发表，自控或反馈控制越发显的重要。从那时起，这一学科迅速发展，到目前为止，控制论几乎渗透了从心理学、生物学到工程学和哲学——人类活动的各个领域。纵观历史，控制这一概念已经引起了人们的强烈关注：从一般的关注到广泛地引起哲学界、政府部门和科学技术领域所有人的兴趣。之所以如此是因为我们对某一境遇、某一事件和我们周围的环境都有一种控制欲。

毫无疑问，科学技术给予了我们“控制”许多——包括某些自然本身的——过程的方法。以自然的热和热的流动为例。我们知道热流可以自然地、自动地从较热的物体流向较冷的物体。能使热流自然流动的方向逆转吗？可以，如电冰箱和空调，通过一台热机以相反的方向转动便可以使热流反向流动。一台热机从高温源头接受热，将其中一部分转换成其他形式的能量——如电能——然后便如同热在低温下最后耗尽一样，排出其余部分的热。另一方面，一台电冰箱接受到以机械功（W）或电能形式输入的能量，用该能量去从一低温下的物体（一瓶啤酒）中吸取热量（Q1）以使其冷却，然后如同热在高温下排出的热量一样——排除总额为（Q2=Q1+W）的热量。大部分冰箱的背后都具有与绕一圈圈的、手摸上去已经变热的管道系统，这便是排出来释放到房间里的热量，这部分必须被吸收的热量既是电冰箱“泵出”的热量，也是等价于电冰箱做功的热量。在这个例子中，我们确实控制了自然界热流的自然流动，但我们最终是用了更多的热来与之抗争。现在如果我们想摆脱这部分排出来的额外的热量，我们可以安一窗式空调，它一定能够吸收这部分被释放到房间里的热量，这部分热量等价于空调机将该热量泵出到室外所做的功。当我们走到窗外，我们不仅能感觉到空调机排出来的热，而且还会听到发动机所发出的特有的噪声。

我们虽然降低了房间内和电冰箱里的热（熵），但做到这一点是以增加整个环境的热——熵——和噪音水平为代价的。我们还需要为应付在产生电时所带来的额外热和熵支付大量的“功（电）”。如果当地能源是核能，我们不仅要处理核电厂产生的热，而且还要面对核反应堆带来的放射性副产品带来的危险问题。因为我们还无法“控制”这些放射性产品的排放。只能监视控制。当然，并不是所有发电厂都是用核裂变反应堆来发店。如果用的是化石燃料发电，那么我们将必须与其他排放物抗争，如：对酸雨和温室效应有贡献的气体，此外还有初期表现出来的，由热浪引起的全球变暖的气候模式、干旱、洪水和飓风。随着世界环境控制问题已经发展到了需要一个全球相应的程度，人类业已到了需要在世界的各个角落注入一个共同控制机制的地步。通过信息反馈和信息控制来控制人类的行为，这不是一件轻而易举的事情。

劳动者2017年3月3日

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