也谈热寂问题(张学文)

也谈热寂问题

20世纪80年代以前我们的物理书都无力地批评着热寂论。此后人们对它的认识被淡化而没有明确的新理论。现在我也谈点看法。

19世纪克劳修斯提出了熵概念、为物理学引入了热力学第二定律。在他为物理学建立了功勋的同时也提出了著名的热寂问题，“宇宙的总能量的不变的，总的熵是不断增加的”。通俗地说就是宇宙中的热量总是向温度低的地方流。当宇宙各处的温度相同的时候，世界也就再没有什么新事物。宇宙热死了。

克劳修斯预言的宇宙热寂在天文尺度的时间,如10亿年内没有什么实际意义，但是悲观的学者总是用它为人类烘托一种死亡的恐怖。他们把热力学第二定律看成科学给我们的死亡的宣判书。

一些科学家和哲学家说“熵”是个坏东西，说热力学第二定律指明熵仅能自动加大。即一切只能越来越坏。人类的现代化过程不过是加速熵加大的过程，它意味着我们的资源越来越少而垃圾越来越多，最后自己也仅能死亡在垃圾中。

我们想指出热寂问题仅是当时利用热力学第二定律做的一个推论，它并不代表这个定律的全部。一些务实的科学家把熵自动最大化（热力学第二定律的一种推论）用到了一个个特殊场合，从而得到了很多有积极意义的科学规律。这是物理学的主流，它丰富了物理学，把科学真正地推向新的高度，为人类做出了突出贡献。

对于这很多有实际价值的规律的介绍不是现在讨论的主题，我们现在仅想指出把热寂问题与热力学第二定律划等号很不全面，它把一大批与热力学第二定律有关的非常有价值的科学成果都抹杀了。我们不能一叶障目。

19世纪先发现了热力学第一定律，即能量在转化中总量不变化的原理。获得这个原理的重要前提是明确机械功可以变成热，得到了热功当量。人们是先认识到不同形态的能量（热、位能、运动能、电能等）的存在才进而明确他们可以互相转化，最后明确转化中其总量不变的规律。显然这个定律并不仅研究热，也包括了非热力学形态的各种能量。

追述热是能量的一种是为了映射出热力学的熵也仅是熵的一种。

19世纪克劳修斯提出的熵仅是与物质的能量变化联系的所谓热力学熵。随后的研究表明这种熵对应于分子尺度的运动状态的丰富（混乱、无序）程度。20世纪随着信息论的出现人们又发现通讯过程中对信号本身的不确定程度的描述公式与熵的公式本质是一致的。随着信息技术的进步，信息论对信息熵的定义得到了广泛应用。今天计算机中对内存对硬盘和软盘容量的计算都基于这个公式。

这个公式在非热力学领域的成功让我们看到熵不仅只有热力学一种。

基于概率论的信息熵公式还很容易把它推广到一切客观事物中，此时的熵公式计量的就是客观事物内部状态的丰富程度或者说复杂程度。在通讯讯号传输场合它对应讯号的不确定程度，在分子运动场合对应分子运动的混乱、无序、丰富程度。（参考本人的网页:   http://kahn.xj.cninfo.net/zhangxw/index.htm   和本网页的讲座）。

换句话说，过去我们看到了不同形态的能量的存在，现在我们又看到了不同形态的熵的客观存在。热力学熵仅是熵的一种形态。

19世纪认识的热力学熵仅是一种熵，利用它提出了热寂问题叶不足为怪。20世纪逐渐认识到物质还有其他层次的熵其他形态的熵。不同的熵的存在至少提出了它们是否可以互相转化的问题以及它们在转化中总量是否也有守恒性问题。这些问题超出了克劳修斯当年考虑的范围。我们是在热力学范围重述着（或者设法否定）热力学第二定律呢，还是谨慎地在更大的范围内考虑不同的熵的变化规律呢？我想我们应当做的是后者。

“水往低处流”是个成语，也是中国人揭示的自然规律。我们可以把它科学化为“自然界自发进行的运动都是使物质的位能减少”，而这个提法已经类似于热力学第二定律的陈述了。当没有认识不同形态的能量互相转化时我们很难指责这个规律的发现者目光短浅，而应当为国人首先发现了自然现象的发展方向而鼓掌。但是当认识了不同形态的能量的存在、认识了不同形态的能量可以互相转化以后，我们只好把这个认识先放一放而首先研究不同能量的转化问题。

与“水往低处流”（位能问题）类似的问题也出现在熵的认识中。20世纪的科学实践使我们初步看到了有不同形态的熵的存在，21世纪的我们就应当先研究不同形态的熵的转化问题再在新的视野中审视热寂问题。

在笔者看来熵度量的是物质的状态的复杂程度，在热力学中它对应热力学熵（微观尺度运动的状态的复杂程度），在通讯和计算机问题中它对应着信息量（信息源的信号状态的复杂程度）。我们可以度量国家的复杂程度、社会的复杂程度、生物的复杂程度细胞的复杂程度等等等等。它们都是不同层次的物质的不同形态的熵。熵至少是一个与质量、能量同等重要的概念。研究不同形态的熵的转化问题是摆在我们大问题。研究这个问题比在热力学的圈子里研究热寂问题意义重大的多。

我们应当在这个研究方向上努力，并且争取获得成绩。

参考文献：

天山脚下--个人经历简集（张学文） http://www.360doc.com/showWeb/0/27/383750.aspx

“熵”在中国(张学文) http://www.360doc.com/showWeb/0/13/357517.aspx

张学文        
2000，3，27