【word】从热力学第二定律看世界有序与无序的对立统一

从热力学第二定律看世界有序与无序的对
立统一
第l8卷第4期
2011年8月
东莞理工学院JOURNALOFDONGGUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYV01.18 No.4
Aug.2011
从热力学第二定律看世界有序与无序的对立统一
罗诗裕邵明珠
(东莞理工学院电子工程学院,广东东莞523808)
摘要:回顾了经典热力学面临的困惑,分析了现代热力学对人类认识的贡献,指出了世界的本原是混沌,
而混沌就是有序和无序的对立统一.
关键词:对立统一;有序;无序;本原;自组织
中图分类号:B81—05文献标识码:A文章编号:1009—0312(2011)04—0050—04
也许世界原本就是有序的,只是由于人们的
认识没有到位,才表现出了千差万别.于是世界
便有了差异和矛盾,便有了分歧与对立.也许世
界原本就是无序的,只是人们为了认识上的方便才把它们进行分类,于是世界便有了秩序,有了
结构,有了和谐与统一.也许世界原本就是有序的,也是无序的,于是,展现在人们面前的世界
便是有序和无序的对立统一,这就是世界本原“混沌”.
经典热力学面临的困惑
(一)热寂说
l9世纪中后期,经典物理学进入鼎盛时期.
但是,人们又不无忧虑,其中”热寂说”便是一
例.1850年,克劳修斯指出,对于一个孤立系
统,热量不可能自动地从低温物体传到高温物体. 热力学第二定律表明,在孤立系统中,任何热力
学过程都是不可逆的.1851年,汤姆逊指出,对
于非生命系统,热量不可能自动地从低温物体传到高温物体,并对外做功.汤姆逊似乎看到了什么,特别强调了热力学第二定律只适合于非生命系统.也许汤姆逊本人也没有料到自己有如此的远见卓识,以至于在一个世纪之后的”耗散论”和”协同论”才在它的启迪下萌芽和诞生¨I2.
热力学第二定律只适合于与热现象有关的孤
立系统,并明确指出了任何热现象都是不可逆的.
比如,一根烧红了的铁棒,热量会自动传给周围
的低温物体,直到平衡;但热量绝不会自动从低
温物体传到高温物体,使铁棒重新变热;在一盆
清水里滴上一滴蓝墨水,因为扩散,整盆清水将
变成淡蓝色,但扩散了的墨水分子永远也不会自动聚集起来回到原来的状态;一个容器盛有两种不同的小球(或者说分子),假设最初状态是它
们各占了容器的一半,摇动盒子(扩散),小球
的排列被打乱,但是小球再也不能自动地回到原来的有序状态;摩擦(机械运动)会生热,但热
却不能自动转化为机械运动.而人死不能复生,
河水不能倒流更是人们常见的不可逆现象.经典热力学在解释世界从有序向无序转化时取得了巨大的成功.
展现在人们面前的不可逆过程是如此的多,
以至于克劳修斯注意到了这些不可逆过程一定存在某种共同特征,于是便提出用一个函数S来对它进行描述,并称它为熵(Entropy).在希腊文
中,熵就是”变化”的意思,而变化又恰好与
“过程”相对应.热力学系统的变化过程总是朝
着熵增加的方向进行.这就是克劳修斯提出的“熵增(加)原理”,也是热力学第二定律的最普
遍描述.
克劳修斯的”熵增(加)原理”有着非常深
刻的物理意义.它指出了自然界的一切过程都是
有方向性的.有些过程虽然不违背热力学第一定
律,如果违背了”熵增(加)原理”也不可能发
生.1862年,克劳修斯把这一结论推广到整个宇
宙,并指出,对于宇宙这个孤立系统,它的熵同
样要趋于极大.宇宙越接近熵的极大,进一步变
化的可能性就越小,一旦达到熵的最大状态,它
收稿13期:2010—09一l4
作者简介:罗诗裕(194O一),男,四川射洪人,教授,主要从事科学哲学研究.
第4期罗诗裕,等:从热力学第二定律看世界有序与无序的对立统一5l
的一切变化都将停止,宇宙便进入了一个死寂的
永恒状态,这就是克劳修斯的”热寂说”.正是
“热寂说”让人们陷入了新的困惑和矛盾.
克劳修斯把热力学第二定律从有限推广到无
限引起了人们的怀疑和思索.因为任何一个科学
命题都是全称命题(热力学第二定律也不例外),
而任何一个全称判断都不能用单称判断来证实.
比如,当人们用归纳法作出”乌鸦是黑的”,”天
鹅是白的”这类判断时,只有当他把世界上所有
的乌鸦和天鹅都考察之后,才能证明是真的.而
这样做又不可能.这就是”归纳”面临的困惑.
在有限世界中归纳,总结出来的热力学第二定律, 要推广到无限世界,面临的问题就更多了.此外,
注意到人们对自然界的任何认识都是近似的,包
括任何一条物理定律都只是对自然界的近似描述. 当然,认识可以深化,但不可以终极.因为任何
认识过程都是主体和客体相互作用的过程,任何
认识上的结论都是主体和客体相互作用的结果. 无一例外,热力学第二定律也只能是一条近似规律,它只适用于有限的,孤立的和非生命的系统.
事实上,关于热力学第二定律的所有知识都是来
源于有限的,孤立的,非生命的系统,要把它从
有限推广到无限,从孤立系统推广到开放系统,
从非生命系统推广到生命系统都必须小心谨慎, 而且自身也必然要经受一次变革,甚至是一次革命.
(二)麦克斯韦妖
“热寂说”一出世就引起了人们的密切关注,
而且曾轰动过19世纪7O年代.人们最关心的是导致”热寂说”的热力学第二定律是不是自然界
的普遍规律.如果是,则宇宙最终会死亡;如果
不是,热力学第二定律在有限系统中却处处适用. 科学家们面临这两难局面,感到十分困惑与无助, 但是,从未停止对它的思索.最早注意到这点的
是热力学第二定律发现人之一的汤姆逊,是他最早界定了热力学第二定律的适用范围:非生命系统.对热力学第二定律明确表示怀疑的是麦克斯韦.1871年麦克斯韦注意到了自然界可能存在与“熵增(加)原理”相反的过程,并设计了一个
“思想试验”来进行证实.麦克斯韦指出,如果
把一个容器分为A,B两部分,在分界面上开有
一
个小孔,设想有”某个神秘的东西”把守这道
关口.它的职能是只允许速度较快的分子从A跑到B,速度较慢的分子从B跑到A.结果,容器
中的快分子就”自动”聚集在B区,慢分子”自动”聚集在A区,于是,系统从无序变为有序.
由此麦克斯韦认为,这一过程违背了热力学第二定律.麦克斯韦设想的那个”存在物”具有特异
功能,它能够非常准确地区分快慢分子,并能适
时地打开或关闭小孔,让快分子跑到一边,慢分
子跑到另外一边.这个”东西”可以使熵减少,
使系统重新有序.后来,人们就把它称为”麦克
斯韦妖”.
(三)几率和涨落
1877年,也就是麦克斯韦妖提出六年之后,
奥地利物理学家玻尔兹曼引入了几率和涨落概念来描述热力学系统,并创立了统计物理这门新的学科.玻尔兹曼指出,任何系统都将自动地趋于
几率最大的状态.系统从几率小的状态过渡到几率大的状态,正好对应着从有序到无序的转化,
也正好对应着系统熵的增加.玻尔兹曼用”几
率”成功描述了热力学第二定律.几率和涨落概
念的引人,是经典物理学的一大进步.从牛顿时
代起,人们就习惯用”确定”的语言来描述物体
的运动状态.事实上,牛顿第二定律揭示了只要
初始条件确定,在给定的外力作用之下,物体的
运动状态是完全确定的.牛顿第二定律不仅可以预言物体未来的状态,而且还能推测以前任一时刻的运动状态.”有确定的原因,就必然有确定
的结果”,这就是从牛顿第二定律导出的”决定
论原则”.玻尔兹曼挑战传统,明确指出系统的
状态可以用”几率”来描述,而且进一步指出了
热力学系统熵减少的过程也是可能出现的,只是
出现的几率比较小罢了I4J.
从玻尔兹曼的统计理论可以导出,即使麦克
斯韦妖不存在,容器中快慢分子自动分开(即系
统从无序变为有序)的可能性还是有的,其几率
P可以表示为:
1
P2——u’
其中Ⅳ是A区或B区的分子数.因为分子数』v是一
个很大的数(对于1tool的气体,分子数N.=
6.02X10∞,这就是阿伏伽德罗常数),系统从无
序到有序的几率很小.值得注意的是,几率虽然
很小,但不为零.这个结果虽然没有导致任何可
观察效应,但它用几率描述代替了决定论描述则是人类认识上的一大飞跃.从此,人类认识开始
从绝对走向相对,从确定走向可能.
52东莞理工学院
二,现代热力学的崛起
注意到热力学第二定律只适合于孤立系统,
不难看出麦克斯韦的”思想试验”有”问题”,
因为在这个系统之外还有一个麦克斯韦妖,原本孤立的系统已变得不再孤立.但是,当我们把容
器,小妖和环境一道视为孤立系统时,热力学第
二定律仍然成立.只需假设麦克斯韦妖要履行它的职责,就必须从外部获得”能量”,或者说必
须从外部环境取得负熵.由小妖和外部环境组成的大系统,熵仍然是增加的.由此看来,麦克斯韦”思想试验”中的容器只是一个开放系统.麦
克斯韦妖在统计物理中占有十分重要的地位,对它的跟踪和研究已经涉及到了物理学,化学,生
物学,社会学和宇宙学等领域,并在现代信息论, 控制论和耗散结构中找到了广泛应用.耗散理论的创始人普利高津就对此作出了重要贡献. 1941年,波动力学的创始人薛定谔写了一本
书《生命是什么?》,首次用量子力学观点来解释生命的本质,并对无序到有序,无组织到有组织, 非生命到有生命的转化进行了探索,创立了”量子生物学”这门新的学科.比利时科学家普利高津则进一步指出,生命体维持生命的唯一办法是从外部环境中吸取负熵,而且进一步强调如何用热力学方法来阐明生命进化过程的重要性,并创立了非平衡态热力学.1945年,普利高津提出了线性非平衡态热力学理论,1970年创立了非线性非平衡态热力学.他在自己的理论中,把考查对
象(系统)分为三类:一类是孤立系统,同外界
没有物质和能量交换;第二类是开放系统,同外
界有物质和能量交换;第三类是封闭系统,同外
界只有能量或物质交换.注意到在现代物理学中质量和能量可以互相转化,普利高津的三类系统只有两类是独立的,那就是孤立系统和开放系统. 考虑到孤立系统同外界不交换或很少交换物质或能量,热力学第二定律是一个很好的近似.对于
开放系统却不是这样.普利高津指出,开放系统
远离平衡态时,系统可能因非线性而出现涨落,
因涨落而出现新的有序.这种由于系统自身的原因重整有序的现象称为”自组织”.这种有序结
构称为”耗散结构”.
注意到一个同外界没有热量交换的系统是一
个孤立系统,系统状态的变化只能归结为系统内部(比如分子)的相互作用.正是这种内部分子
相互作用,使系统从温度不均匀的状态(有序)
变化到温度均匀的状态(无序),完成了从非平
衡态向平衡态的转变.用哲学的语言来说,这种
相互作用就是矛盾,决定系统状态变化的正是这种内部矛盾.值得注意的是,这里讨论的是一个
无环境的孤立系统.如果我们把这个系统同一热
源接触,这个系统就不再是孤立系统,而是一个
开放系统了.比如这个系统就是一杯正在加热的水.假设盛水的容器(玻璃杯)底面积比较大,
而盛的水又不太多,那么这个系统在加热过程中就可能出现新的有序现象——贝纳德对流和贝纳德原胞.不妨让我们稍加分析,看看系统究竟是
如何演化的.如果加热比较缓慢,系统处于近平
衡的热力学状态,热量传递通过分子碰撞来实现. 于是我们看到了水温不断升高,这种热传递方式称为热传导.如果加大火的力度,水的底层温度
迅速升高,温度梯度加大,系统离开(甚至远
离)平衡态.只要操作得当,将发现在某个临界
梯度上水分子会聚集成团,并出现它们的集体运动.理论估计表明,这种分子团大约包含10个
分子.正是这种分子团的宏观运动把热量从温度高的地方带到了温度低的地方.实验发现这些分子团原来是一些规则的六角形格子,这就是所谓的”贝纳德原胞”.贝纳德原胞的集体运动构成
了贝纳德对流.值得注意的就是这种贝纳德现象使系统出现了新的结构,有了新的结构便有了新的秩序,从而使系统完成了从无序向有序的转化. 只要保持这一温度梯度(即外部条件),这一有
序状态就是一个稳定状态.系统的这种稳定性是
以消耗外部热量为前提的,这个系统又称为耗散
系统,相应的结构就是耗散结构.如果温度继续
增加,其规则图样会随时间周期变化,最终变为
湍流,进入”混沌”状态.
需要强调的是,经典热力学研究的是一个孤
立系统,而且只研究这个系统的平衡态或准平衡
态,并且强调无序状态是一个稳定状态.现代热
力学研究的系统则是一个开放系统,是一个远离
平衡态的非线性系统.这种系统的稳定性是由于
内部的非线性涨落,并通过自组织方式实现的,
其特点是系统出现了新的有序.虽然有序,它却
是稳定的.这就是现代热力学对人类认识的贡献.
耗散结构的特点是,只有消耗外部能量才能保持
系统的稳定性.一个人是一个耗散系统,它靠新
陈代谢不断从外界吸收营养,经过消化和吸收转
化为热量;一座城市也是一个耗散系统,靠横向
第4期罗诗裕,等:从热力学第二定律看世界有序与无序的对立统一53
联合同周围地区交换物质和能源,靠内部转换机
制来维持城市(系统)的有序运转;一个国家也
不例外,它可以通过开放同周边和世界各国进行
经济,文化和技术交流,通过改革来保证国家从
无序向有序的转化,并保证经济社会的和谐稳定发展.
耗散系统的稳定性是通过内部的自组织方式
来实现的.所谓自组织,就是系统在非线性作用下,具有一种自己重新组织自己的能力.一个国家,一座城市,一个家庭是一个自组织系统;一
个种属,一个动物或一个细胞是一个自组织系统; 而任何一个事物也可以视为一个自组织系统.在El常生活中我们也可以找到自组织现象的存在. 比如广场上有一个集会.大会开始前,人流从四
面八方拥向广场,其中有老的,小的;有男的,
女的;还有高的,矮的,胖的,瘦的.不妨让我
们假设这些人都彼此不认识,于是广场上的人群就在男女老少和高矮胖瘦这些意义上处于无序状态.无序状态是一种宏观稳定状态.现在有两种
方法可以让广场上的人群重新有序:一种是外部方式,一种是自组织方式.假设有一个人负责指挥,他号召大家男的站在一边,女的站在另一边; 或者年长的站在一边,年轻的站在另一边.于是
广场上的人便出现了新的有序.这种状态是稳定状态,他们的稳定性是借助”外力”来维持的,
这便是第一种方式.这个系统的特点是一旦外部“指令”取消,系统将回到无序状态.第二种方
式是由于人群内部的原因,比如同乡,同学或同事,又比如兴趣,爱好或习惯;还比如文化素养, 社会背景或政治面貌等情况的异同,都可以把这些人群重新组织起来.于是广场上的人也出现了新的有序.这就是自组织,内部的相互作用则表现为一种历史沉淀.
有序和无序的对立统一
经典热力学指出,所有热力学过程都是不可
逆过程.正是这种不可逆性,时间的对称性被打破了,于是时间便有了过去,现在和未来,世界
便有了历史.现代热力学又发现,由于系统的非线性涨落,空间的对称性也打破了,于是便有了上和下,左和右,有了空间上的重整有序.实际上,任何一种有序都可以归结为一种对称性的破缺,这就是自然界普遍存在的”自组织”现象.
耗散系统是无序系统,也是有序系统,这种无序与有序的对立统一便是”混沌”.我们主张世界的本原是”混沌”.而”混沌”则是柏拉图的
“理念”,黑格尔的”绝对精神”,宗教的”神”
与”上帝”.”混沌”是物质与精神的对立统一,
是”有”和”无”的对立统一.当唯物主义声称
世界的本原是”物质”,唯心主义声称世界的本
原是”精神”时,它们坚持的都并非是终极的世
界本原,而只是终极本原”混沌”的一种形式展
现.
参考文献
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LUOShi-yuSHAOMing-zhu (CollegeofElectronicEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Do ngguan523808,China) AbstractReviewingtheperplexitiesoftheclassicalthermalmechanics,thisp
aperanalyzesthecontributionofthemodern thermalmechanicstotheknowledgeofthehumanityandpointsoutthatthearc heisthechaos,butthechaosistheunityofopposites oforderanddisorderoftheworld.
Keywordsunityofopposite;order;disorder;noumenon;self-organization。