2013年4月9日星期二

阮一峰的网络日志

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熵的社会学意义

Posted: 08 Apr 2013 08:28 PM PDT

1.

上周，我读完了《熵：一种新的世界观》。

总体上，我不推荐这本书。因为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（我认为是的），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.

附录：《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）总是趋向最大的量的。

　　- 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。

　　- 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。

　　- 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。

　　- 煤比木材更难开采、加工，因此把它转化到有用状态要耗费更多的能。

　　- 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。

　　- 事与愿违， 汽车在得到广泛使用后，美国人住得距离工作地点越来越远了。40年前，大部分人是步行上班的。

　　- 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。

（完）

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