揭示善的力量

當耗散結構理論遇到水結晶實驗(四)

小巖
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三、熱力學第二定律——悲情永恆的熱寂

現在讓我們走向近代物理學第二站的里程碑——熱力學第二定律。熱力學第二定律是19世紀中葉提出的,是伴隨著以蒸汽機為標誌的第一次工業革命而產生的。它有兩種表述方式,即開爾文表述和克勞修斯的表述。

開爾文的表述是:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變為有用功而不引起其它變化。

克勞修斯的表述是:熱量不能自動從低溫物體流向高溫物體。

克勞修斯更容易理解的表述為:熱量在自然狀態下只會從高溫物體流向低溫物體。

克勞修斯同時還提出了一個關於熵的概念,用來衡量系統的混亂程度。用這個熵的概念可以將熱力學第二定律從新表述為:在孤立系統中,實際發生的過程總是使整個系統的熵增加。或者說,在一個封閉系統中,隨著時間過程的推進,系統的有效能量將會逐步的喪失。熵在這裡也可以被看作是不能再被轉化做功的能量的總和的測定單位,也就是無效能量的總和,而無效的能量是不能再被用來維持系統的有序性的。

熱力學第二定律是一個真正關於結構體機能的物理學定律,它揭示了不可逆過程的機理。然而,遺憾的是,與牛頓的美好樂觀永恆的宇宙前景相反,熱力學第二定律向人們展現出來的卻是一個非常悲觀的宇宙發展前景——熱寂,一切結構與生命的死亡。我們不妨引用網上百科詞條的一段文字:

來自物理學中一條最基本的定律—-熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律,冥冥中似乎早已規定了宇宙的命運。

簡而言之,第二定律認為熱量從熱的地方流到冷的地方。對任何物理系統,這都是顯而易見的特性,毫無神秘之處:開水變涼,冰淇淋化成糖水。要想把這些過程顛倒過來,就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的「熵」(無序程度)與日俱增。例如,機械手錶的發條總是越來越松;你可以把它上緊,但這就需要消耗一點能量;這些能量來自於你吃掉的一塊麵包;做麵包的麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量;太陽為了提供這些能量,需要消耗它的氫來進行核反應。總之宇宙中每個局部的熵減少,都須以其它地方的熵增加為代價。

在一個封閉的系統裡,熵總是增大的,一直大到不能再大的程度。這時,系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡的狀態,不會再發生任何變化,除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說,是不存在「外界」的,因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態,就完全死亡,萬劫不復。這種情景稱為「熱寂」。

熱力學第二定律被稱為是一個最令人傷心和最令人絕望的定律,其實並不是令普通人如何傷心絕望,而是令很多實證科學家們悲痛欲絕,一方面,他們把實證科學奉若唯一的金科玉律,把其等同於宇宙真理、宇宙真相,所以他們不願承認實證科學僅僅是認知宇宙的一種理論工具、一個人類的理論系統,他們更不願意承認實證科學的侷限與缺陷;另一方面,他們也不願意接受按照實證科學所發現的熱力學第二定律所揭示出來的這個宇宙「熱寂」的命運,所以他們認為是克勞修斯錯誤的把孤立體系中的熵增加定律擴展到了整個宇宙中,也就是說,實證科學沒有錯,而是克勞修斯錯了,這個發現熱力學第二定律的人錯了。換句話說,人們接受了熱力學第二定律,卻把它的發現者打倒了,就如同大陸人接受了牛頓的宇宙論,卻在「文革」中敢於把300年前的牛頓打倒了一樣,因為牛頓把不在其宇宙模型中考量的宇宙系統的啟始動力——即「生」的機制歸給了上帝。同樣因為克勞修斯給人們帶來的是一個壞消息,一個絕望的宇宙,一個有悖於人們美好期望的前景,那麼就殺死這個帶來壞消息的信使吧!正如俗語有云:殺死帶來壞消息的信使(kill the messenger with the bad news)。很不幸,當克勞修斯面對著一群打著科學旗號的「暴君」的時候,他的「命運」也就可想而知了。

其實,熱力學第二定律在很大程度上繼承了牛頓所開創的機械宇宙論的物理學傳統。與所有實證科學的理論假說一樣,第二定律在方法論上也有許多假設條件,這些條件包括:自然狀態下,孤立的封閉系統,線性系統,系統內部是各向同性的等。因此,我們不能拋開這些假設條件片面的認識熱力學第二定律。

客觀上講,實證科學對結構體機制的真正研究,對過程的分析就是從熱力學定律開始的。熱力學第二定律向人們揭示了不可逆過程的屬性,也揭示了一個有時間作用的結構體的機制。然而,它揭示的是一個結構系統走向「滅」的過程,而不是這個機制的全部或過程的全部。換句話說,第二定律沒有揭示關於「生」的機制與「生」的過程,更沒有揭示「成住壞滅空」的全過程。而且它所揭示的「滅」的機制也是針對一個線性封閉的物質系統而言的。(待續)

--摘編自正見網

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