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介绍一种新观点（4）

2020-03-31 10:26:05栏目：默认栏目 IP属地：湖北省恩施州

2. 熵的定律
2.2 宇宙学与热力学第二定律
每当科学家们认真思考热力学第二定律时，他们最终总
会遇到一个熵定律的适用范围到底有多广的问题。例如熵定
律是否也适用于构成宇宙的恒星与银河系的宏观世界？实
际上绝大多数的宇宙学理论都是以熵定律为基础的。早在
1854 年，一个叫本杰明・汤普森的科学家第一次找到了热力
学第二定律在宇宙学上的意义。汤普森认为熵定律告诉我
们：
在以往的某一段时间里，或者在将来的某一段时间
里，地球都一定曾经是，或者又要变得不宜于现代生理
结构的人类的生存，除非对人进行手术，而根据现在物
质世界进行的手术所遵循的规律，这是根本不可能实现
的。
两年後赫尔姆霍茨系统地提出了後来成了典型的以熵
定律为基础的宇宙理论。他的“热寂说”’断定宇宙正在逐
渐衰亡，宇宙的熵最终必然达到最大值，热寂必然会到来，
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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。
如今流行最广的关于宇宙起源和发展的理论是大爆炸
学说。这个设想最初是由卡农・乔治・勒梅特1提出的。它假
设一个密集的能源的大爆炸是宇宙的起源。当这个稠密的能
源向外膨胀时，它的膨胀速度逐渐减慢，从而形成了银河系、
恒星和行星。当这个能源继续膨胀、消散时，它越来越失去
原来的秩序，最後达到最大值的熵，即达到了热寂的最终热
平衡状态。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。如果这个理论有些似曾相识，那么也不足为奇。古希腊
和中世纪基督教历史观与现代宇宙学家的宇宙历史观是有
不少共同之处的。
令人费解的是，我们这些现代人一方面愿意接受相信宇
宙以完美而开始，以衰亡混乱而告终的宇宙历史观，另一方
面又顽固地坚持地球的历史却截然相反，是从混乱状态“逐
步” 走向有秩序的状态。这种自相矛盾是如此明显，以致
後来有人企图回避熵定律而提出各种各样的宇宙理论也就
不足为奇了。
一种叫做“持续创造说”曾风靡了好几年。1948 年弗雷
德·霍伊尔、托马斯・戈尔德以及赫尔曼・邦迪等三位年轻
科学家提出，虽然宇宙是在明显膨胀，然而可以通过从“外
界” 输入负熵来避免热寂或熵的最大值。如果确实能够输
入适当量的负熵来弥补熵的增值，那么宇宙就真的能万世长
存，旧的银河系衰竭的同时，新的银河系又形成了。这可真
是一架宇宙永动机啊！因此，当宇宙的一些部分有所失，另
一些部分又有所得，这就确保了整个系统的永存。遗憾的是，
後来的科学实验证明了他们的设想是不合理的。
在六十年代，天文学家们开始记录他们能收集到的宇宙
1卡农・乔治・勒梅特，比利时天文学家。他提出了大尺度空间随时间膨胀的概念，建立了勒梅特宇宙膨胀
模型。——译者
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中古往今来的一切无线电源。要证明“持续创造说”，那么
他们就必须证明以前与现在的无线电源没有明显的变化。然
而这个实验结果却给了“持续创造说”致命的打击。它显示
了远古时代的无线电源要比现在多得多，这就证明了大爆炸
学说与热力学第二定律，即宇宙正趋向于热寂，它的熵正接
近最大值。
其它迹象也进一步证明了“持续创造说”的不合理性，
并不断为大爆炸学说提供依据。人类所知的宇宙最远物体之
一的类星体也同无线电源一样，现在已比过去大大减少。最
後，A·A·彭齐亚斯与 R· W·威尔逊两位科学家发现的“宇
宙背景辐射”给了“持续创造说”极大的打击。“持续创造
说”对宇宙的解释根本不能说明这个现象。2
後来还出现过其它的理论。比如，循环说认为宇宙在永
无止境地膨胀、收缩，循环往复，既无开始，也不会终止。
根据这个理论，最近的这次大爆炸只是已经发生过和将要发
生的一系列大爆炸中的一次。当我们这个正在膨胀着的宇宙
达到熵的最大值时，它又开始往回收缩，回到一个越来越有
秩序的状态，直到整个宇宙被浓缩成一团如原子核那样的一
触即发的物质。最後它又重新爆炸，向茫茫的深处膨胀开去。
在现阶段，循环说还完全只是一种假说，科学家们几乎
还没有做过任何实验来证实或反驳它的主要观点。目前我们
只能肯定一点：对于我们这个小小的太阳系和地球，熵定律
仍然是“自然界一切定律中的最高定律”。
2.3 时间、形而上学与熵
定律的最重要之处莫过于它对时间的定义。圣奥古斯丁
曾经写道：
2 大爆炸理论提出後，一些科学家预言大爆炸後宇宙中原初的辐射达到热平衡，必定还残留着背景辐射。
1964 年，美国贝尔电话公气的彭齐亚斯和威尔逊在装配卫星通讯天线时发现总有一种原因不明的“嗓声”
干扰。他们发现这是一种消除不掉的嗓声辐射，相当于 3.5K 的温度。这种辐射不可能来自任何特定的辐射
源，只能是一种宇宙辐射。後来，普林斯顿大学的迪克与他们共同确认这种字宙背景辐射就是“原始火球”
的残余辐射。这样，宇宙背景辐射就为大爆炸说提供了有力的依据。——译者
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“无人问我时，我深知何为时间；一旦要我解释时
间，我却一无所知。”
机械论世界观的时间概念与熵的世界观的时间概念截
然不同。经典物理学的时间是可以沿着两个方向中的任何一
个方向进行的。既然牛顿的那些原理是建立在数学基础之上
的，那么运动物体的每一个变化，至少在理论上是可以被逆
转的。假如我们把一段记录弹子球互相碰撞的影片装反了来
放一遍的话，那么即使顺序完全颠倒了，也会显得合情合理。
如果我们只考虑牛顿概念中的简单的运动物体，那么就完全
可以有正的时间与负的时间。然而一旦我们把一段拍摄尼亚
加拉大瀑布一泻而下的片子也倒过来放，那时一切都会显得
荒唐可笑了。这么一来水就会从底下向瀑布顶上流去。虽然
牛顿建立在数学上的模式告诉我们，理论上水是可以从底下
向瀑布顶上流去的，然而我们知道这不可能发生。热力学第
二定律解释了这一点。
“时间不等人”,“时光流逝”,“时间不会倒走”，确
是至理名言！这些格言说的是我们所体验的时间是不可逆转
的。时间流逝的方向只有一个，那就是向前。这种向前的方
向反过来也是熵的变化的一个功能。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。用加
尔文勋爵3的话来说：“泥浆会重新聚成砾石，而砾石则又会
再度回到它们原先崩塌的山峰上去。”
时间永远向前运动，因为能量本身永远从有效状态转化
为无效状态。我们不断意识到我们周围世界的熵的变化。我
们的朋友一个个衰老死去。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。当
我们问道“世界的时间都要用完了吗？”，我们等于在说通
过对一件接着一件事情的展开我们体验到了时光的流逝。每
3威廉・汤姆生・加尔文，英国物理学家，生前在热力学等领域有一定建树。―译者
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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。亚瑟，爱丁顿爵士说：“熵是时光之箭。”
古代希腊与中世纪基督教的世界观认为历史是一个从
秩序转化为衰亡运动过程，这种世界观反映了当时人们是怎
样理解时光之箭与熵的过程的真实方向的。目前的牛顿力学
世界模式忽视了熵定律所反映出来的现实，从而制造了一个
假象，似乎时间是世界上的一个独立过程，能脱离自然的运
行而独立存在。这种时间对自然的异化始于笛卡儿的这一设
想，即世界是通过人与自然彻底隔离开来而组成的。科学研
究方法的关键就是在观察者与被观察的事物之间建立起彻
底的中立，以便操纵自然，使之服务于人类的物质利益。
由于采用了这样一种把人与自然彻底隔绝开来的认识
世界的方法，人们的意识就与时间、生命和熵的过程的真正
关系相脱节了。认识到了这一点，我们就不难理解洛克他们
怎么会建立起一种与现实世界的真正活动截然相反的世界
观来。
熵定律明确表明自然万物只能从有效状态转化为无效
状态，但洛克却反其道而行之，声称自然中的一切事物如果
不被人类占有并转化成有使用价值的东西，那么它们就始终
处于荒废之中。洛克以及其它机械论世界观的大师们鼓吹我
们的世界实际上正从混乱状态“走向”有序状态。他们的时
间观认为，人们改造自然的速度越快，人类进步就越大，世
界就日益秩序并然，我们就能赢得更多的时间。
这是一种完全颠倒的时间观和历史观。我们前面己经说
过，只有在能作功的可用能源还存在的前提下，时间才能存
在。已经逝去了的真正时间的数值是已被耗尽了的能量的直
接反映。随着宇宙中可用能量的消耗，发生的事件日益减少，
这就意味着剩下的“真正”时间越来越少了。最後宇宙达到
了热寂的平衡状态，任何事情也不再发生了。既没有任何变
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化可以发生，那么我们所体验的时间也就不复存在。因此世
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。也就是说如果我
们增加能量的消费，我们不但不能节省时间，而且会更快地
失去时间。如果下次有人问你多花了这些能量而能省出多少
时间的话，你就应该想一想熵定律与时光之箭，再想一想四
百多年来我们形成的这种奇怪的世界观。
关于熵与时间还有一个方面也值得我们注意。熵定律虽
然向我们展示了时间的方向，却没有说明它的速度。熵的过
程实际上是在不断地改变着速度的。世界上每发生一个变
化，熵值都会增加——然而有时增加得快一些，有时慢一些。
世界上有多少个婴儿呱呱落地，多少棵青草枯萎衰亡，多少
辆汽车开出工厂，降雨量多少，风有多强，以及海浪拍打着
海岸时多少块鹅卵石被冲刷成沙土，所有这些都决定着熵的
过程的变化速度。
是历史有其注定的不可改变的进程，还是人类能够运用
一定的自由意志来影响其发展，这是人们一直争论不休的问
题。熵定律比其它任何理论都更有说服力地解决了这个问
题。就决定时间的方向性而言，热力学第二定律为我们规定
了我们必须遵循的界线。我们无法逆转时间或熵的过程，那
是早已定了的，然而我们可以运用自由意志来决定熵的过程
的发展速度。人类在这个地球上的一举一动都直接影响到熵
的过程的缓急。我们可以通过对自身生活与行为方式的选
择，决定世界上有效能量的耗散速度。在这一点上，科学与
形而上学、伦理学可以说是殊途同归的。在本书後面的章节
里我们考察技术和经济理论的性质时，一我们将要认真探讨
人类自由意志、决定论和熵的过程之间的联系的全部涵义。
2.4 生命与第二定律
如果世界上熵的总值是在不断增加，那么我们如何来解
释生命过程呢？毋庸赘言，生物呈现出了很大的秩序。进
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化本身就代表着日益增长的秩序的不断积累。谁也不会否
认，当一个婴孩渐渐长大，他体内贮存的能量也就与日俱增
了。每当我们观察动植物时，我们为那成亿个分子竟然组织
得如此井然有序而感叹不己。那么是不是说生命现象就违反
了热力学第二定律呢？其实不然。科学家们多年来一直迷惑
不解，但现在他们终于也承认生命与世界上其它东西一样，
也不能逃避熵定律的铁掌。哈罗德·布卢姆在一本叫《时光
之箭与进化》的书中对这个问题作了开拓性的研究。他写道：
“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。”
生物通过从周围环境摄取自由能量,能够朝着与熵的过
程相反的方向发展。这种自由能量的最终来源是太阳。一切
动植物依靠太阳而生存——有些直接依靠太阳，就象进行光
合作用的植物，而有些又是间接倚靠太阳，比如食草动物和
食肉动物。诺贝尔奖获得者、物理学家欧文·施罗丁格曾经
说过，每一个生物的生存都必须“不停地依靠它所在环境的
负熵„„一个有机体赖于生存的是负熵，它不断地从环境中
摄走秩序”。
换句话说，向着平衡状态的发展是所有生物的自然趋
势。我们的一举手一投足一动念，都在不断地耗散着能量。
为了防止我们把自身消耗殆尽而达到死亡这个平衡状态，我
们需要从周围更大的环境中得到自由能量（即负熵）的补充。
不相信这一点的人可以去观察一下死尸。人死後才几个小
时，人体就开始完全崩溃，彻底地耗散到一片随机的棍乱中
去了。
科学家们之所以绞尽了脑汁还是想不出如何让生命系
统与热力学第二定律统一起来，是因为平衡态热力学考虑的
是封闭系统，它只能与外界交换能量，不能交换物质。但生
命系统却是开放系统，它不仅能与外界交换能量，而且也能
交换物质。只要生命还未中止，那么生命系统就不会达到平
衡状态，因为那就意味着死亡。因此生物就必须通过不断地
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摄取他们周围的有效能量来防止平衡状态的到来。这样的状
态称为“稳定状态”。如果物质与能量不再被补充到一个有
机体中，稳定状态就要中止，有机体就滑向平衡状态，走向
死亡。因此，对生命系统内部来说，重要的是自由能量的流
通而不是熵。持这种观点的科学叫非平衡态热力学。虽然非
平衡系统与平衡系统不能同样对待，但我们会发现它们与热
力学第二定律的宗旨倒是一致的。
贝特兰·罗素说过：“每一个生物体都仿佛一个帝国主
义者，它竭尽全力要把它所处的环境转化到它自身以及它的
後代身上去。”在这个掠夺能源的过程中，这个星球上的每
一个生命都在耗费着能量。它让能量流过自身系统，至少使
其中一部分的能量将来不能再作功。而且毫无疑问，即使是
最小的植物也要靠制造整个环境的大混乱来维持自身的秩
序。植物、是通过光合作用来生存的，而所谓光合作用，不
过是从阳光中汲取负熵而已。在光合作用时，只有小部分太
阳能被吸收利用，其余都耗散了。植物体内熵的减少是很小
的，而整个环境能量的损失是巨大的。
常见的食物链能更形象地说明熵的增值。化学家 G·泰
勒·米勒用一个非常简单的食物链例子来说明这个问题。这
个食物链由草、蚱蜢、青蛙、蛙鱼以及人类组成。根据热力
学第一定律，能量是不会减少的，然而根据第二定律，食物
链的每一个环节都要把有效能量转化为无效能量，因此使整
个系统损失更大的秩序。事实正是如此。这个过程的每一个
环节——如蚱蜢吃掉青草，青蛙吃掉蚱蜢，鲑鱼又吃掉青蛙
——都要损失一定的能量。米勒说在弱肉强食的过程中，“大
约有 80%— 90%的能量被完全浪费并以热量形式损失在环境
中了”。被吸收的能量中只有 10%-20%留在肉食动物的身体
里，被转化到了食物链的下一个环节。想一想为了使一个生
物种类不致陷入最大值的熵，那需要多少个比它低一等的生
物个体啊。“一个人每年需要吃掉 300 条鲑鱼，这些（300 条）
鲑鱼要吃掉 90,000 只青蛙，这些青蛙要吃掉 2,700 万只蚱
蜢，而这些蚱蜢要吃掉 1,000 吨青草。”
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因此，一个人要维持较大“秩序”状态，每年就要耗费
2,700 万只蚱蜢或 1,000 吨草所蕴藏的能量。那么我们对于
每一个生物只依靠整个环境的大混乱（或能量耗散）来维持
自身秩序这一点还有什么可以怀疑的呢？
能量不断地通过生命有机体，它进入有机体系统时处于
较高的级别，而离开同一系统时就处于更加混乱的状态中。
有机体通过从周围环境里吸取负熵来生存，这种生存斗争的
胜负取决于有机体获得能量的本领。阿尔弗雷德•洛特加是
第一位谈到能量流通与生物进化的生物学家。他说，就摄取
与利用有效能量而言，每个生物种都可以被看作是一种“转
化器”。每一个转化器或有机体都有一整套从外界取得能量
的手段。
洛特加认为，“眼睛、耳朵、鼻子、味觉乳突和指尖的
触觉乳突等主要感觉器官与大脑和嘴的紧密联系，向我们说
明了同一个道理。”这个道理告诉我们有机体是生来的能量
采集者与转化者，不然它们就无法生存。洛特加提出，从进
化观点来看，自然选择偏爱那些能够“利用来被耗尽的物质
和有效能量„„来增加自身系统的总物质，提高物质和能量
经过自身系统的流通速度”的那些有机体。
洛特加那种自然选择偏爱能使能量最大程度地流过自
身的生物的观点，已经被人（甚至包括他自己）几度修正。
目前广为流行的理论认为，最大程度的能量流通是生态系统
发展早期生物的共同特征。然而当某生态栖息地生物种类的
密集程度越来越高时，这些生物种类被迫通过更有效地使用
较小规模的能量流通来适应环境的最大负载能力。早期的最
大能量流通阶段通常被称为殖民阶段，而後期的最小能量流
通阶一段被称为极点阶段。
人类从总体上来说还未脱离殖民阶段而进入极点阶段。
人类，特别是高度工业化社会，还在继续为增加人体和社会
组织的能量流通来组织人类活动。当今的一个全球规模的人
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类危机是过渡危机。在下一阶段，人类将过渡到极点阶段，
他们为把人体和社会过程的能量流通减少到最低程度而组
织人类活动。如果人类执迷不悟，那么他们将遭受以往那些
没有完成过渡的生物种类所遭受的命运。生命路途上灭绝了
的生物种类比比皆是，而在长长的灭绝者名单上再添上一位
并不是太难的事情。
我们已习以为常地认为生物进化就是进步。然而我们现
在却发现在进化之链中，越是高级的生物，就要把越多的能
量从有效状态转化为无效状态。进化过程中，越是新的种类
就越为复杂，它转化有效能量的能力就越强。然而真正让我
们难以接受的，是意识到进化之链中越是高级的生物，它的
能量流通就越大，它给宇宙带来的混乱也就越大。
熵定律向我们表明，进化过程耗散着对地球上的生命有
用的总能量。然而我们的进化观恰恰相反。我们相信进化神
奇地在地球上创造着更大的价值和秩序。只是在我们环境的
耗散和混乱变得如此显而易见，我们才开始重新反省我们的
那些进化、进步和创造物质财富的观念。後面还将更详细地
讨论这一点的涵义。
进化意味着为建立起秩序越来越大的孤岛而必然带来
更大混乱的海洋。在这一点上人们尽可以各持己见，但却无
法回避这个河题。没有任何生物学家或物理学家还会再否认
这个真理。现在问题是谁愿意站出来在课堂上或大庭广众面
前承认这一点。
如果你觉得遭了当头一棒，关于进化论的说法太令人沮
丧，那只是因为我们大家都在现存的世界观里已陷得太深，
以致对其它的思想方法都不能理解。但只要我们拒不承认热
力学第二定律是生命和进化的基础，那么我们就无法完成从
殖民阶段到极点阶段的过渡。
2.5 外部工具与能最
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虽然一切生物都在为从环境中摄取更大的能量而不断
竞争，然而拥有外部手段来完成这个任务的却只有人类。其
它生物只能依靠它们自身器官——它们的眼睛、耳朵、鼻子、
牙齿与爪子等等——来收集能量，而人类则凭借更加发达的
神经系统和大脑制造了各种各样的工具，从而有效地扩充并
发展了他们的器官。科学家和人类学家把它们称为外部工
具，以表示它们与我们那些与生俱来的人体器官有所区别。
我们所说的外部工具包括人类用来从环境中获取，转化
并处理有效能量（或负熵）的所有工具。我们制造了机械装
置来从环境中榨取能量，筑起楼房来保持热量以供取暖。我
们修路筑桥并设计出各种交通工具来输送能量。我们还发明
了语言、风俗、经济组织和政府机构来有效地组织能源的处
理与分配。
这些体外工具的所有活动构成了人类文化的很大一个
部分。社会发展归根到底就是建立区域秩序，从而维持人类
生存。既然人类与其它生物一样，依靠自己维持能量流通的
能力来生存，那我们的文化就起着一个用来从周围环境摄取
能量的工具作用。因此热力学第一定律与第二定律就成了每
种文化与文明的最高的运行法则，就象它们是宇宙的最高定
律一样。相信我们能把这两个定律拒之门外，就象相信我们
的生理系统能够在没有能量不断流通的情况下生存一样地
危险。
如果我们把一种文化中的所有复杂活动加以抽象化并
分门别类，我们会发现转化、交换和排除是其中最重要的三
项活动。人们总是在为其中的某一项活动而忙碌。有时我们
确实很难辨认这些过程的本来面目，因为它们已同那些看上
去与自然已经毫无关系的活动紧密相联了。但只要我们耐心
地剥去几百年间积累起来的一层层文化装饰，那么我们就会
发现社会活动的真实内容就是有效能量的不断转化、交换和
排除。如果你觉得难以置信，不妨亲自试一下。花上整整一
天来观察一下你接触到的一切东西，观察一下你所看到、听
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到、碰到、闻到的，以及你用掉、改变和交换的东西。然後
对每一件东西沿着两个方向追根寻源：即追溯到它的原始状
态，展望它的最终归宿。那么你会发现，所有东西将是以某
种原材料（有效能量）开始，而最後又将以废物〔无效能量）
而告终。
能源是人类文化的基础，正如它是生命之本一样。因此
每个社会的权力最终归于那些掌握了转化、交换和排除能量
的外部工具的社会成员。社会的阶级划分、剥削、特权和贫
困，完全取决于社会的能量流通渠道是如何建立起来的。谁
控制了外部工具，谁就控制了能量流通渠道。他们就决定着
社会分工以及各群体间的收入分配。
阅读一下近百年来政治学家和经济学家留下的无数论
文会给人们一种奇特的感觉。那些出类拔萃的思想家们侈谈
自然规律、社会契约、生产资料的辩证法以及权力的性质，
却只字不提能量流通和熵定律。
诚然，热力学第二定律的确直到十九世纪後期才发展成
为科学体系，但并不是说这以前的科学家们就可以为自己开
脱了。古希腊人和中世纪基督教学者们也没有提出熵定律，
但他们却领会到它的真谛，并把它融化于他们的文化和世界
观中。
当然会有不少政治学家和经济学家不大乐意看到熵的
模式开始影响包括政治学和经济学在内的各门学科。可是几
年後这一切当真发生时，被我们视为神圣的政治学和经济学
的基本概念就会有重大改变。这个变化将会十分彻底，道理
很简单，因为那些流行多年的谬误甚至已经引起了它们的法
定继承人的怀疑。
熵的模式的产生，并不会使每门学科都陷入政治学与经
济学那样的困境。很多人类学家早就认识到，某一特定环境
的能源基础就是这个文化形成过程中的决定因素。他们划分
历史的主要依据是人类组织环境的方式的变化。因此，分析
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一下这些历史阶段的鲜明特征以及把这些阶段贯穿起来的
共同线索是很重要的。这条共同线索就是熵定律。