2022年熵的物理意义.pdf

物理 意 义 ：物 质 微 观热 运 动 时，混 乱 程 度 的 标 志。热 力 学中 表 征 物质 状 态 的参量 之 一 ，通 常用 符 号 S 表 示 。在 经典 热 力 学中 ，可 用 增 量定 义 为 dS (dQ/T) ，式中 T 为 物 质 的 热 力学 温 度 ；dQ 为熵 增 过 程 中 加 入 物质 的 热 量。下 标“ 可 逆 ”表示 加 热 过程 所引 起的 变 化 过程 是 可 逆的 。若 过 程 是 不 可 逆 的，则 dS (dQ/T)不可 逆 。单 位 质 量 物质 的 熵 称为 比 熵 ，记 为 s。熵 最 初 是 根 据 热 力 学第 二 定 律引出 的 一 个反 映自 发过 程 不 可逆 性 的 物质 状 态 参量 。 热 力 学第 二 定 律是 根 据 大量观 察 结 果总 结出 来的 规 律 ，有下述 表 述 方式 ：热 量 总 是从 高 温 物体 传 到 低温物 体 ， 不可 能作 相反 的 传 递而 不 引 起其 他 的 变化 ； 功可 以 全 部转 化 为 热，但任 何 热 机不 能全 部地 、连续不 断地 把 所 接受 的 热 量转 变 为 功（即 无法 制 造 第二类 永 动 机） ； 在孤 立 系 统中 ， 实 际发 生 的 过程 总 使 整个 系 统 的熵 值 增 大，此即 熵 增 原理 。摩 擦使 一 部 分机 械 能 不可 逆 地 转变 为 热 ，使 熵 增 加。 热 量 dQ由高 温 (T1) 物 体传 至 低 温 (T2) 物 体 ，高 温 物 体 的熵 减 少dS1=dQ/T1 ，低 温 物 体的熵 增 加 dS2=dQ/T2 ，把 两 个物 体 合 起来 当 成 一 个系 统 来 看， 熵的 变化 是dSdS2 dS1 0， 即 熵是 增 加 的 。 物 理 学上 指 热 能 除以 温 度 所得 的 商 ， 标志热 量 转 化为 功的 程度 。 科学 技 术 上 泛 指 某 些物 质 系 统状 态 的 一种 量（ li ng）度 ，某 些 物质 系 统 状态 可 能 出现 的 程 度。亦 被社 会 科 学用 以 借 喻人 类 社 会某些 状 态 的 程 度 。 在信 息 论 中， 熵 表 示的 是 不 确 定性 的 量 度 。只 有 当 你所使 用 的 那个 特定 系统 中 的 能量 密 度 参差 不 齐 的时 候 ， 能量 才 能 够转 化 为 功，这时 ，能量 倾 向于 从 密 度较 高 的 地方 流 向 密度 较 低 的地 方 ，直到 一 切都 达 到 均匀为 止 。 正是 依 靠 能量 的 这 种流 动 ，你 才 能 从 能量 得 到 功。江 河 发源 地 的 水位比 较 高 ，那 里 的水 的 势 能也 比 河 口的 水 的 势能 来 得 大。由 于这 个 原 因，水 就沿着 江 河 向下 流入 海洋 。 要 不 是下 雨 的 话， 大 陆 上所 有 的 水 就会 全 部 流入 海 洋 ，而海 平 面 将稍 稍升 高。总 势 能这 时 保 持不 变 。 但分 布 得 比较 均 匀 。正 是 在 水往下 流 的 时候 ，可 以 使 水 轮转 动 起 来，因 而水 就 能 够做 功 。处 在 同 一个 水 平 面上的 水 是 无法 做功 的，即使 这些 水是 处 在 很高 的 高 原上 ，因而 具 有 异常 高 的 势精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 能，同样 做 不 了功 。在这 里 起 决定 性 作 用的 是 能 量密 度 的 差异 和 朝 着均 匀 化 方向的 流 动 。熵 是混 乱和 无 序 的度 量 。 熵值 越 大 ，混 乱 无 序的 程 度 越 大 。 我们这个 宇 宙 是熵 增的 宇宙 。热力学 第二 定 律 体现 的 就 是这 个 特 征。生 命是 高 度 的有序 ，智慧 是 高度 的 有 序，在 一个 熵 增 的宇 宙 为 什么 会 出 现生 命 会 进化 出 智 慧（负 熵 ）。热 力学 第 二 定 律 还 揭 示了 ：局 部 的 有 序是 可 能 的 ，但 必 须以 其 他 地方的 更 大 无序 为代 价。人 生 存，就 要 能量 ，要 食 物 ，要 以 动 植 物的 死 亡 (熵 增 )为代 价 。万 物 生 长靠 太 阳 。动 植 物的 有 序 又是 以 太 阳核 反 应 的衰 竭（ 熵增 ）或其他 形 式 的熵 增为 代价 的 。人关 在完 全 封 闭的 铅 盒 子里 ，无法 以 其 他地 方 的 熵增维 持 自 己的 负熵 。 在 这 个 相 对封 闭 的 系统 中 ， 熵增 的 法 则破 坏 了 生命 的 有 序。熵是 时 间 的箭 头，在 这 个 宇宙 中 是 不可 逆 的 。熵 与 时间 密 切 相关 。如 果 时 间 停止“ 流 动”，熵 增 也 就 无从 谈 起 。“ 任 何我 们 已 知 的物 质 能 关住 ”的 东 西 ，不是别 的 ，就是“时 间 ”。低温 关 住的 也 是“时 间”。生命 是 物质 的 有序“ 结构 ”。“结 构 ”与具 体的 物 质 不是 同 一 个层 次 的 概念 。就像 大 厦 的建 筑 材 料和 大 厦 的式样 不 是 同一 个层 次的 概 念 一样 。 生 物 学已 经 证 明， 凡 是 到了 能 上 网岁 数 的 人，身体 中 的 原 子 ,已经 没 有 一个 是 刚 出生 时 候 的了 。但 是，你 还是 你 ，我 还 是 我，生命 还 在 延续 。倒 是 死 了 的人 ，没 有 了 新 陈代 谢 ，身 体 中 的分 子 可 以保 留 很 长时间 。意 识 是 比 生命 更 高 层次 的 有 序，可 以在 生 命 之间 传 递 。说 到 这里 ，我 想物质 与 意 识的 层次 关系 应 该 比较 清 楚 了。（ 摘自 人 民 网 BBS 论 坛 ）不 管 对 哪一种 能 量 来说 ，情 况 都 是 如此 。在 蒸 汽 机 中，有 一个 热 库 把水 变 成 蒸汽 ，还 有一个 冷 库 把 蒸 汽 冷 凝成 水 。 起决 定 性 作用 的 正 是这 个 温 度差 。 在 任何 单 一 的、毫 无 差 别 的 温 度 下 不 管 这 个 温 度 有 多 高 是 不 可 能 得 到 任 何 功 的 。“熵 ” (entropy)是 德国 物 理 学家 克 劳 修斯 (Rudolf Clausius, 1822 1888) 在1850年 创造 的 一 个 术语 ， 他 用 它来 表 示任 何 一 种能 量 在 空 间 中 分 布的 均 匀 程度。能 量分 布 得 越均 匀 ，熵 就 越 大。如 果对 于 我 们所 考 虑 的那 个 系 统来 说 ，能量完 全 均 匀地 分布 ，那 么 ， 这个 系 统 的熵 就 达 到最 大 值 。在 克 劳 修斯 看 来 ，精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 在一 个 系 统中 ，如 果 听 任 它自 然 发 展，那 么，能 量差 总 是 倾向 于消 除 的。让 一个热 物 体 同一 个 冷 物体 相 接 触， 热 就 会 以下 面 所 说的 方 式 流动 ： 热 物体 将 冷 却，冷物 体 将 变热 ， 直 到两 个 物 体 达到 相 同 的温 度 为 止。 如 果 把两 个 水 库连 接 起 来，并且 其 中 一个 水库 的水 平 面 高于 另 一 个水 库 ，那么 ，万有 引力 就 会 使一 个 水 库的水 面 降 低，而 使另 一 个 水面 升 高 ，直 到 两个 水 库 的水 面 均 等，而 势能 也 取 平为止 。因 此， 克 劳 修斯 说 ，自然 界 中 的一 个 普 遍规 律 是 ：能 量 密 度的 差 异 倾向于 变 成 均等 。 换 句话 说 ，“ 熵 将 随 着时 间 而 增大 ” 。对于 能量 从 密 度 较 高的地 方 向 密度 较 低 的 地 方 流 动 的 研究 ， 过 去 主 要 是 对 于热 这 种 能量 形 态 进 行的。因 此，关 于能 量 流 动和 功 能转 换 的 科学 就 被 称为“ 热力 学 ”，这 是 从希腊 文 “ 热运 动 ” 一词 变 来 的。人 们 早已 断 定 ，能 量 既 不能 创 造 ，也 不 能 消灭。 这 是 一条 最 基 本的 定 律 ；所 以 人 们 把 它 称 为“ 热 力 学第 一 定 律” 。克 劳修斯 所 提 出的 熵随 时间 而 增 大的 说 法 ， 看来 差 不 多也 是 非 常基 本 的 一条 普 遍 规律，所 以它 被 称 为“ 热 力学 第 二 定律 ”。描 述 热力 学 系 统的 重 要 态函 数 之 一 。熵的 大 小 反映 系 统 所 处 状 态 的 稳 定情 况 ， 熵 的 变 化 指 明热 力 学 过程 进 行 的 方向， 熵 为 热力 学第 二定 律 提 供了 定 量 表述 。为 了定 量 表 述热 力 学 第二 定 律 ，应该 寻 找 一个 在可 逆过 程 中 保持 不 变 ，在不可 逆 过 程中 单 调 变化 的 态 函 数。克劳修 斯 在 研 究 卡 诺 热机 时 ， 根 据卡 诺 定 理得 出 了 对任 意 循 环过 程 都 都适 用 的 一个公 式 ， 式中 Q 是 系 统 从 温度 为 T 的 热源 吸 收 的微 小 热 量， 等 号 和不 等 号 分别对 应 可 逆和 不可 逆过 程 。可逆 循环 的 表 明存 在 着 一个 态 函 数熵 ，可定 义 为 另一式 （ 参 见相 关著 述） 。对 于绝 热 过 程 Q 0， 故 S 0，即 系 统 的熵 在 可 逆绝热 过 程 中不 变，在 不 可 逆绝 热 过 程中 单 调 增大 。这 就 是 熵 增加 原 理 。由 于 孤立系 统 内 部的 一切 变化 与 外 界无 关 ，必然 是绝 热 过 程，所 以熵 增 加 原理 也 可 表为：一个 孤 立 系统 的 熵 永远 不 会 减少 。它表 明 随 着孤 立 系 统由 非 平 衡态 趋 于 平衡态 ，其 熵 单 调 增大 ，当 系 统 达 到平 衡 态 时，熵 达 到最 大 值 。熵 的 变化 和 最 大值确 定 了 孤立 系统 过程 进 行 的方 向 和 限度 ， 熵 增加 原 理 就是 热 力 学第 二 定 律。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 能量 是 物 质运 动的 一种 量 度 ，形 式 多样 ，可 以 相 互 转换 。某 种 形 式 的能 量 如 内能越 多 表 明可 供转 换的 潜 力 越大 。熵原 文 的字 意 是 转变 ，描述 内 能 与其 他 形 式能量 自 发 转换 的方 向和 转 换 完成 的 程 度。 随 着 转换 的 进 行， 系 统 趋于 平 衡 态，熵值 越 来 越大 ，这表 明 虽然 在 此 过程 中 能 量总 值 不 变，但 可供 利 用 或转 换 的 能量却 越 来 越少 了。内 能 、熵 和 热 力学 第 一 、第 二 定律 使 人 们对 与 热 运动 相 联 系的能 量 转 换过 程的 基本 特 征 有了 全 面 完整 的 认 识。从 微 观上 说 ，熵 是 组 成 系统的 大 量 微 观 粒 子 无序 度 的 量度 ，系 统 越 无 序、越 混乱 ，熵 就越 大 。热 力 学 过程不 可 逆 性的 微观 本质 和 统 计意 义 就 是系 统 从 有序 趋 于 无序 ， 从 概 率较 小 的 状态趋 于 概 率较 大的 状态 。信 息论 中 的 熵： 信 息 的度 量 单 位。信 息 论 的 创 始 人Shannon 在 其 著 作 通 信的 数 学 理论 中 提出 了建 立 在 概 率统 计 模 型上 的 信 息度 量 。 他 把 信 息 定 义 为 “ 用 来 消 除 不 确 定 性 的 东 西 ” 。Shannon公 式 ：I(A)=-logP(A) I(A) 度 量 事 件 A 发 生 所 提供 的 信 息量 ， 称 之为 事 件 A 的自 信 息 ，P(A)为事 件 A 发 生的 概 率 。 如果 一个 随机 试 验 有 N 个 可 能 的结 果 或 一个 随 机 消息有 N 个 可 能值 ， 若 它们 出 现 的概 率 分 别为 p1,p2, ， pN, 则 这 些 事件 的 自 信息的 平 均 值 ：H=-SUM(pi/log(pi),i=1,2 N。 H 称为 熵 。热力学第二定律也称熵增原理，即“ 孤立系统发生的任何自发过程系统的熵总是增加的” 。这个定律貌似简单，却是宇宙间最为深奥和永恒的规律，因为与其它定理、定律不同，它不是一个守恒律。从这个定律出发，克劳修斯提出了“ 熵” 的概念，认为“ 熵” 是系统的一种性质。以后玻耳兹曼将这种性质与系统的微观状态数，即宏观的混乱度联系起来。按照熵增原理孤立系统内发生的不可逆过程（即自发过程）总是向着熵增大的方向进行，熵是系统演化的“ 时间之矢 ” ，据此克劳修斯提出了“ 宇宙的熵最终将趋于最大” ，即宇宙 “ 热寂说 ” 。现代宇宙学普遍认为宇宙也有一个演化过程，因此“ 热寂说 ” 仍有争论。而生命过程则毫无例外的是向着熵增加的方向变化，每一个生命个体最终都将走向衰老、死亡，再被自然所降解，从有序到无序，这与熵增原理是一致的。但个体的生命过程还存在发育、分化、成长的阶段，生物系统也是由简单到复杂、由低等向高等进化的，生物机体内部总是维持着高度的结构有序，体内的各种生化反应都定时、定位、定量地发生，受到严格的控制。如何解释生命这种现象它是不是与熵增原理相矛盾实际上生命系统是一个开放系统，其熵变可以分为两部分，熵产生与熵交换。熵产生是由于系统中不可逆过程引起的，总为正值；熵交换是系统与环境之间由于物质和能量的交换而引起的，可为正、为负或为零。两者之和决定了系统的总熵变。1944 年著名科学家薛定谔在其名著生命是什么中提出系统避免趋于最大熵值的唯一办法是从环境中吸取负熵，生命是倚赖负熵而生的。实际上自然界并没有负熵的物质。熵是物质的一种属性，可将物质区分为高熵和低熵物质。生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。动物体摄取的多糖、蛋白其分子结构的排列是非常有规则的，是严格有序的低熵物质，而其排泄物（二氧化碳、尿、汗等）却是相对无序，这样就引进了负熵流。植物在生长发育的过程中离不开阳光，光不仅是一种能量形式，比起热是更有序的能量，也是一负熵流。当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。疾病可以看作是生命体短期和局部的熵增加，从而引起正常生理功能的失调和无序，治疗则是通过各种外部力量（药物、手术、饮食、保健等）干预机体，促进吸纳低熵、排出高熵。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 仅用热力学熵来阐述生命的有序还远远不够。生命是远离平衡态的、开放的复杂系统。描述这种系统的比较成熟的理论是比利时的化学家普利高津在上世纪提出的“ 耗散结构 ” ，该理论认为开放系统通过与环境交换物质和能量而处在远离平衡态的状态，在这种条件下系统内部微观的随机涨落可因非线形的作用机制而被放大成宏观的有序。为了维持这种有序系统要不断消耗能量， 在一定条件下还可能出现新的临界点，向着更加复杂更加高级的方向演化。生命正是遵循这样的规律向前进化的。生命现象与熵增原理并不矛盾。生命体内时刻存在的各种生理活动都是在有限的时空条件下发生，从热力学角度看都是不可逆的过程，使系统的熵增加；另一方面生命又具有抵御自身熵增加的能力，这是非自发的，需要的能量正是由引起熵增加的生理活动、生化反应所提供，但是作为大自然铁的法则不可逆过程产生的热量不可能全部转变为有用功使熵减少，系统的总熵最终仍然无可避免地增大，“ 逝者如斯夫 ” ，这正是与我们的人生感悟相一致的生命体验，从生到死，没有永生。当人呱呱落地起，无论经历多么坎坷曲折，无论期间制定了多少个目标，只有一个目标是坚定不移在执行并最终得以实现的，那就是死亡。无论贫穷还是富有，无论草民还是王公，在这个目标面前，都是被一视同仁的，人类想方设法的不达到这个目标，却从来没有人成功过。至少，在我们已知的历史里，尚没有确凿的记载。无论是人间的帝王借助丹药养生寻求长生不死，还是道家逆天修行以求飞升，乃至佛家宣扬精神的不灭抛弃皮囊寻求转世，都是在寻找摆脱死亡这个目标的可操作办法，寻求与天地同朽的途径。遗憾的是无论哪种理论或者技法，至少在我们已知的近代，尚未有成功的先例。从热力学第二定律，熵的角度讲，任何一个系统的熵值都是在不断增加的，大致宇宙，小至蜉蝣，开放系统在存在的同时，为了抵消系统内熵值的增加，不得不不断从外界补充负熵，用以维持系统的平衡。当大至宇宙时，在人类已知的理论里，宇宙是个孤立的系统，因为宇宙之外是什么我们无法探知，也就意味着宇宙无法从外界获得负熵来抵消熵值的增加，所以宇宙本身没有办法，只能眼看着熵值的不断增加，最终达到热寂状态，之后从新收缩回到极点，开始新一轮的扩张。这就是宇宙大爆炸理论的来源。这次我们来看看微观到人这样的个体上，会有什么样的情况发生。人体作为一个非常神奇而完善的生物系统，要维持系统的动态平衡，肌体的正常运作，便需要不断从外界获取物质和能量。在这个动态平衡的过程中，人体的熵值不断变大，不得不从外界获取负熵抵消熵值的增加。这是个动态平衡的过程，理论上讲，人体并不是个封闭的系统，如果人体能不断的从外界获得负熵的补充，使人体系统的熵值无法不断增大直至混沌热寂状态，那么生命应该是可以一直延续下去的。目前来看，人类的死亡，是因为无法继续从外界获得负熵，使得系统熵值太大，无法再继续维持动态的能量交换平衡，最终导致系统崩溃。人死亡之后，我们可以发现很快就腐坏了，这就是系统崩溃的结果。我们常说人之在世，生老病死是无法逃避的。生，是不可逆的，正如古话所说的覆水难收一个道理，从受精卵到呱呱落地，是伟大的母体从外界不断获取物质和能量、诞生一个新系统的过程。在这个过程中，开放的母体（孕妇）不断从外界获取负熵，以抵消人体系统熵值的加大，同时还要孕育新的系统，也就是从无到有建立一个新的系统（婴儿）并在系统成熟后分离出去（生育），尽管在这个过程中，是以外界熵值的增加为代价的。女性的平均寿命比男人多7 岁，生育过的女性又比未生育过的女性寿命长。我们是否能从这其中得出一个猜测，母体孕育生命的过程，是一个开放系统孕育另一个开放系统的过程，在孕育新的系统的过程中，母体获得了一种特殊的负熵，这种负熵是人体系统在整个生命过程中无法从外界获得（先天元气）的，所以产生过新系统的母体存在的时间更长些，也就是生育过的女性寿命要更长些。说到这里，我们不得不感叹自然界的神奇，为什么很多大科学家到头来都信起宗教来，便是因为知道得越多，越感叹人类的渺小和无能为力。这样庞杂的系统，根本不是我们以人类现有的智慧能够构建出来的，怎么不让人感慨是否有神的存在呢？病，从中医理论上说，是人体的失衡。我们是否可以这么理解，当人体系统在不断从外界获取负熵的过程中，是有特定规律要遵循的，比如代谢所需的蛋白质、微量元素等等，都是负熵的组成部分。当人生病时，就意味着人体系统从外界获取负熵的平衡态失衡了，直接的表征就是生病，人体系统的各个更微观的开放系统（器官） 出现负熵摄入紊乱，也就是产生了病变。一般的紊乱，可以通过人体系统的自我调节来恢复，比如普通的流感，人体系统会通过调节在系统中产生新的平衡（抗体） ，在摄入的负熵中增加对应的序列，来完成人体系统的自我修复。大病来袭，当人体系统无法自我恢复负熵摄入的平衡时，往往就得采取更为激烈的手段，如猛药或手术等方法，来建立人体系统负熵摄入的新平衡。所以从这个角度讲，中医理论实质上要远比西医理论更为先进，因为中医讲求的是君臣相辅，也就是平衡。其本质便是将人体系统看做是一个开放的系统，与外界是交互并存的，不能孤立的看病情。这也是中医理论中养生之道、食疗、运动调理等的根本所在。而西医则是喜欢将人体系统看做是相对封闭的系统，往往手术是喜欢采取的手段，西药容易产生很多副作用，也是这个道理，因为没有系统的看精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 问题。这个的根源，还是受到来自于西方19 世纪以来形成的机械论世界观的影响，有兴趣的朋友可以看看相关的论著。老，是人必经的阶段，在通向死亡这个终极目标的路途上，衰老是同样不可逆的。人为什么会老生物学家推断：哺乳动物的寿命是其生长期的57 倍。人的生长期是用最后一颗牙齿长出来的时间来计算，平均为20 至 25 岁。因此，人的理论寿命最短 100 岁，最长 175 岁。目前公认：人的理想寿命应该是120 岁。这个数据从何而来基因研究表明，人体在新陈代谢过程中细胞不断分裂再生，但细胞也是有寿命的，不能无限制的分裂再生下去，每次分裂再生，在染色体的末梢有一小节特定的基因序列是不可再生的，相当于每次再生要被“ 磨损 ” 掉一些，当这一截基因序列完全磨损之后，细胞就无法分裂再生了，到这个时刻，人体系统就崩溃了（死亡）。随着基因的“ 磨损 ” ，人体系统获取外界负熵的能力越来越差，导致体内熵值不断增大，便是逐渐衰老的过程。这部分的磨损，实质上也是一种特定熵的增加，这部分的熵无法从外界获取负熵来抵消，这便限制了人类的寿命。衰老的过程，是人体系统从外界获取有效负熵的能力不断下降的过程，当人体系统的熵值越来越大，到最终系统失衡，便是死亡了。所以延缓衰老，实质上是要保持一个好的平衡，既然死亡是我们的宿命。那么延缓死亡的过程就是不断保持负熵摄入平衡的过程。保持好的生活系统，合理膳食，适当运动，这些都是养生专家们常说的话。其实养成良好的生活习惯，便是要求我们保持一个合理稳定的负熵摄入平衡，保持它，就能长寿。死，是我们的宿命。在人类短暂的历史里，我们发现对于死亡的恐惧，深刻在人类骨子里。道家的逆天修行飞升成仙，佛家的精神修炼超脱轮回，儒家的舍生取义超越自我，犹太基督天主伊斯兰的信奉上帝期望救赎等等，无不是因为人类个体在死亡这个宿命面前束手无策，从而希望能找到摆脱这个宿命的办法，并发展出来各种宗教组织来传承这种摆脱宿命的思想和技法。简单的说， 人类始终在试图找到一种最理想的负熵摄入办法，使人体这个开放的系统始终处在一种理想的动态平衡状态，也就是长生不老，与天地同寿。理论上说，人体作为一个开放系统，以其它外界系统熵值的增加为代价，不断摄入负熵，是有可能长生不老与天同寿的。只不过这个长生不老受到宇宙这个封闭系统的限制，当整个宇宙达到热寂，人这样极其微小的开放系统也一样无法存在，不过这时也算与天地同寿了。那么照这个思路，也许古人的飞升，并非无稽之谈。在当时纯朴的大自然环境里，智者找到某种有效获得“ 全能负熵 ” 的办法，从而实现了这一目标，但因为这种办法所需要的负熵太大或者太特殊，在地球这个层面无法获得，只好进入另外一个层面（仙界） 去维持这种有效的负熵获取办法，达到与天地同寿的目的。生老病死是自然规律，既然我们无法获得摄取“ 全能负熵 ” 的技法，那么建立一个良好的“ 常规负熵 ” 摄入平衡态，应该能帮我们减慢宿命的到来。我们可以看出 是一个系统混乱程度的度量，这是有道理的，因为作为有规律的系统，只有有限的几种构型，而混乱的系统可以有无限多个构型。例如，设想有一组10 个硬币，每一个硬币有两面，掷硬币时得到最有规律的状态是10个都是正面或10 个都是反面，这两种状态都只有一种构型（排列）。反之，如果是最混乱的情况，有5 个正面 5 个反面，排列构型可以有C105 = 252 种。 (参见组合数学 )根据熵的统计学定义，热力学第二定律说明一个孤立系统的倾向于增加混乱程度，根据上述硬币的例子可以明白，每一分钟我们随便掷一个硬币，经过一段长时间后，我们检查一下硬币，有“ 可能 ”10个都是正面或都是反面，但是最大的可能性是正面和反面的数量接近相等。我们发现，混乱程度倾向于增加的观念被许多人接受，但容易引起一些错误认识，最主要的是必须明白S 0 只能用于 “ 孤立” 系统，值得注意的是地球并不是一个孤立系统，因为地球不断地从太阳以太阳光的形式接收能量。但能认为宇宙是一个孤立系统，宇宙的混乱程度在不断地增加，可以推测出宇宙最终将达到“ 热寂 ” 状态，因为（所有恒星）都在以同样方式放散热能，能源将会枯竭，再没有任何可以作功的能源了。微观计算在经典统计力学中，微观状态的数量实际是无限的，所以经典系统性质是连续的，例如经典理想气体是定义于所有原子的位置和动量上，是根据实际数量连续计算的。所以要定义 ，必须要引入对微观状态进行“ 分类 ” 的方法，对于理想气体，我们认为如果一个原子的位置和动量分别在x 和 p 范围之内，它只属于“ 一种 ” 状态。因为x 和 p 的值是任意的，熵没有一个确定值，必须如同上述增加一个常数项。这种微观状态分类方法叫做“ 组元配分 ” ，相对应于量子力学选择的组元状态。这种模糊概念被量子力学理论解决了，一个系统的量子状态可以被表述为组元状态的位置，选择作为非破缺的哈密顿函数的典型特征状态。在量子统计力学中， 是作为具有同样热力学性质的基本状态的数量，组元状态的数量是可以计算的，所以我们可以确定 的值。但是组元状态的确定还是有些随意，决定于微观状态的“ 组元配分 ” 和经典物理学中不同的微观状态。这导致了能斯特定理，有时也叫热力学第三定律，就是说系统在绝对温度零度时，熵为一恒定常数，这是因为系统在绝对温度零度时存在基础状态，精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 所以熵就是它基础状态的简并态。有许多系统， 如晶格点阵就存在一个唯一的基础状态，所以它在绝对温度零度时的熵为零。(因为 ln(1) = 0)。波尔兹曼1、波尔兹曼是伟大的统计物理学家，他对现代的统计物理理论做了奠基性的工作，其中包括了令人难懂的H 定理和谁都不会精确算的波尔兹曼方程。不幸的是他一生在与自己的学术对手作斗争，被迫不停的宣传原子论；更不幸的是学术上的斗争竟然引入了人身攻击，攻击他的人就包括爱因斯坦很很佩服的马赫；不幸的波尔兹曼最终死于自杀，最大的不幸是他刚死，他的对手就都承认了原子论。2、伟大的波尔兹曼的墓志铭是一个伟大的公式：S=k*lnW 此公式我认为是物理学中最深刻的公式之一。不过墓碑下面有说明，从书面材料来看，第一个写出这个公式的是planck,不但如此， 那个 boltzmann 常数 k,第一个采用这个符号的，也是 planck,而且不是出现在这个公式，是出现在黑体辐射公式里的。伟大的波尔兹曼生前很少有支持者，年轻的Planck 是这少数支持派的一员，但是可怜的 Planck，波尔兹曼压根看不起他，认为 Planck 和自己不是一路。这个故事告诉我们， 一张厚脸皮和一颗麻木的心对于科学工作者是多么重要啊。3、 波尔兹曼大约上课不喜欢往黑板上写东西，然后学生经常抱怨听不懂。然后学生complain 啊，说老师，证明太难了，以后往黑板上写，别光讲，我们记不住。波尔兹曼答应了。第二天，他又在课上开始滔滔不绝，从a 变换到 b，b 到 c 最后总结说，大家看这个东西如此简单，就跟1+1=2 一样。然后他突然想起对学生的承诺，于是拿起粉笔，在黑板上工工整整地写了“1+1=2”。4、 boltzmann 据说还算是很会讲课的， 但是他写论文的水平好像不咋地，经常文章含糊不清，充斥大量烦人的计算，麦克斯韦曾经抱怨说，我实在精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 是看不懂波尔兹曼的文章，他看不懂我得咚咚可以说是因为我做得不好，但他的文章对我来说也一样 这也就罢了，看看爱因斯坦怎么说的，爱因斯坦有次对个学生评价说，波尔兹曼的文章是不太好懂，很多老大都看不懂，原文是 There are many great physicists could not understand it 爱因斯坦当时还年轻， 估计还没把自己归类到 great 那。年月日，亚德里亚海滨小镇都诺伊，度假中的路德维希波尔兹曼用一根系在窗框上的短绳结束了自己的生命。死亡是无须惊奇的必然结局，值得探寻的是何以波尔兹曼以一种如此不寻常的方式去拥抱死亡。有些黑色幽默的是，虽然深刻理解熵和时间之箭的本质含义的波尔兹曼必然会同意：结局无法包含足够的信息去了解既往存在的全部内涵，但对波尔兹曼个人的结局思考却似乎可以折射出他的基本生存和思想状态。所以，不妨由结局回溯时间之河，去探寻波尔兹曼的其人其思。一、最后的时刻或许同病相怜的另一位奥地利人的自嘲可以道出波尔兹曼最后时刻的心境：“ 也许我的时代尚未到来，但就现实来说，它确已结束 ” 。这另一位奥地利人是弗洛伊德，他在自己的学说和著述在欧陆遭到全面查禁时，做如是说。由于基本思想原则和境遇的内在相似性，波尔兹曼和弗洛伊德都可以看作是同一场旷日持久的学术争端的牺牲品，虽然与弗洛伊德不同，波尔兹曼的对手并不具有政治强权背景。波尔兹曼和弗洛伊德是还原论的坚定实践者。两人都在不同程度上受到亥尔姆霍兹理想的影响，试图用简单基本的“ 元素 ” 及其相互间的力的作用去解释复杂的经验现象，使科学理论更加“ 深刻、统一、和预见力” 。不幸的是，如休谟以来的怀疑论者所指出的那样，“ 深刻、统一、和预见力” 这一科学理想的深度极，与其可靠极，即理论的可几性，之间存在内在的冲突。正是出于对形而上学的伪饰的厌恶，庞加莱、恩斯特马赫和奥斯特瓦尔德这样的约定主义者或实证主义者激烈地反对在他们看来不必要的理论本体。因为当时缺少关于分子存在的实验证据，他们无情地批判基于分子论对热力学所做的还原：统计力学。 这种反对是如此强烈和执著，以致发展成为一场持续的“ 战争 ” 。波尔兹曼曾经沮丧地写到：“ 本质上，今天的冲突和一场人类历史上反复发生的老式的权力斗争没有什么区别” 。波尔兹曼的死，无疑与这种令人身心俱疲，似乎永无休止的论战有关。具有讽刺意味的是，波尔兹曼死后不久，开始出现关于分子论的明确实验证据，最终，统计力学范式获得了全面胜利，统计力学成为现代物理的重要分支。二、命定的忧郁如果将波尔兹曼的死仅仅归因于对争辩的厌倦，也许无法理解他思想和情感中最深刻的部分。无疑，波尔兹曼是一位悲观主义者。但他的忧郁与其说是与生俱来，不如说是从他选择统计力学作为研究方向那一刻起才命中注定的。波尔兹曼之前的思想者，如开尔文和克劳修斯，意识到热力学第二定律暗示着宇宙终将归于热寂。作为热力学的还原论解释，波尔兹曼的统计力学不可避免地需要面对热寂问题。如果说在热力学那里，热寂还仅仅是一个悲剧性的隐喻，那么波尔兹曼的工作以理性和明晰的方式演绎、凸现了这个隐喻，使其成为一部动人心弦的伟大悲剧。这并非夸张的溢美。热力学第二定律本身具有如此显明的悲剧美，使得C. P. 斯诺在其著名的小册子两种文化中，可以用这样的笔调调侃那些对科学缺乏了解和尊敬的文学知识分子：“ 他们一有机会就凑在一起嘲笑那些不很了解莎士比亚的悲剧的科学家，但是我想他们当中没有一个人了解深刻、具有忧郁之美的热力学第二定律” 。显然，在斯诺眼中，热力学第二定律和莎士比亚悲剧具有相似的审美价值。在统计力学中，能量和熵这两个在热力学乃至整个自然科学中最普遍和深刻的概念得以被真正理解，并由概率而密切地联系在一起。宇宙中的一切实际过程无一例外地增加着总体的熵量（注），能量作为对抗熵增的力量，绝望地做着局部的抵抗，虽然通过耗散结构，时而可以创造和维持高度的秩序，但终究无法阻止宇宙滑向最后的混乱和无序，一切结构和组织的寂灭。这幅令人抑郁的图景，肯定是萦绕在波尔兹曼和其他统计物理学家心头的幽灵。不幸的是，他们无法让自己忘却这精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 个幽灵，而注定需要用自己的生命和情感来探究、诠释它，为它增添生动的细节。加州理工学院的古德斯坦对这种尴尬处境做了如下的抱怨：“ 一生中大部分时间花在统计力学上的路德维希波尔兹曼，年自杀身亡。艾伦菲斯特继续了这项研究，但也以类似方式而死。现在轮到我们了” （注）。如海德格尔所言：“ 行伟大之思者，致伟大之迷误” ，真诚思想者的无法完全摆脱深刻而有价值的思想所造成的情感和理智迷误。这是波尔兹曼的宿命。三、复活和不朽如前文所述，波尔兹曼的工作在其死后不久旋即被主流物理学家所认同。这种认同不仅是某种观念的复活，还是思想交融和传承过程中的达致的不朽。波尔兹曼的洞察已超越统计物理范畴，深刻影响着整个科学和哲学共同体。例如，对信息科学这样的新兴学科而言，一大类统计推断、约束优化和纠错码解码问题可以在源于统计力学的模型和算法之下得到更有效的解决。在这里，信息代替能量，成为与熵相抗衡的力量。基于统计力学的自组织算法，问题求解的过程精确地同构于特定吉布斯自由能水平下熵最大化的过程（注3）。波尔兹曼的思想以深刻的洞察力诠释了宇宙整体在毁败之路上一去不复返的阴郁场景，但作为对比，其思想本身却经历了死而复生，直至趋近那些历久常新的不朽理念之列的戏剧性的非单调过程。这是波尔兹曼生命中最后的，也是最了不起的黑色幽默。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - - -