熵的哲學(xué)原理

摘 要 熵是一個極其重要的物理量，是描述復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，它表示系統(tǒng)的有序化程度。熵理論是由熵的概念與原理構(gòu)成的理論體系。熵理論發(fā)展至今雖然還在不斷的完善，但它所揭示的哲學(xué)意義卻是十分豐富的。這些哲學(xué)意義主要體現(xiàn)為：熵的變化是雙向的，科學(xué)證實熵既有增也有減，負熵即是熵的減少。在孤立系統(tǒng)內(nèi)，任何變化都不能使系統(tǒng)的總熵減小，熵和負熵是對立的但是二者又都服從于熱力學(xué)第二定律，熵與負熵的關(guān)系揭示了矛盾的立統(tǒng)一規(guī)律；由于能與熵二者的競爭決定了系統(tǒng)所處的狀態(tài)，熵變由此作為判斷平衡和反應(yīng)方向的依據(jù)，在恒溫恒壓焓變相同的條件下，隨著熵變數(shù)值由小到大，吉布斯自由能也必然會經(jīng)歷著>0、=0和<0三種截然不同的狀態(tài)，而熵變所經(jīng)歷的變化是量變，在吉布斯自由能不為零的前提下熵變保持著關(guān)節(jié)點范圍內(nèi)幅度的增減均不能引起反應(yīng)方向的改變，因此透過熵變改變體系平衡及反應(yīng)方向的這一過程揭示了質(zhì)量互變規(guī)律；在熵增熵減矛盾的對立、通過漲落和突變的這一系列過程中存在著三個環(huán)節(jié)，兩度否定：初期熵減占據(jù)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位是對熵增的否定以及最終熵增占據(jù)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位又是對熵增否定的再否定，因此體系中熵的變化過程揭示了否定之否定規(guī)律。

關(guān)鍵詞 熵 對立統(tǒng)一 質(zhì)量互變

作者簡介：袁一楠，長沙理工大學(xué)馬克思主義學(xué)院2017級外國哲學(xué)專業(yè)研究生。

中圖分類號：B5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19387/j.cnki.1009-0592.2018.11.240

“熵”這一概念的源于第一次工業(yè)革命后日益發(fā)展完善的熱力學(xué)?？茖W(xué)界對熵的研究至今已有一百五十多年的歷史，近六十年來學(xué)者們對熵理論的研究創(chuàng)新更是突飛猛進，熵理論也被廣泛應(yīng)用到熱力學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、信息論、非線性動力學(xué)等諸多領(lǐng)域，愛因斯坦甚至稱其為：“整個科學(xué)界的第一法則”。本文就熵的概念、熵理論的發(fā)展歷史以及熵蘊含的哲學(xué)思想等方面進行探討。

一、熵及熵理論的發(fā)展

“熵”是德國物理學(xué)家克勞修斯為了通過數(shù)學(xué)形式表達熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)而引入的一個狀態(tài)函數(shù)。1850年，克勞修斯在遵循能量守恒原理以及對卡諾循環(huán)研究的基礎(chǔ)上，提出了熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱量傳遞過程的表述：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他方面的改變。為了使自己的這一觀點能夠通過數(shù)學(xué)方法得以證實，克勞修斯于1865年引入了狀態(tài)函數(shù)熵，符號S，由此得出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式：dS≥dQ/T。在引入熵的概念后，熱力學(xué)第二定律可以表述為：在孤立系統(tǒng)內(nèi)，任何變化都不能使系統(tǒng)的總熵減小。若變化過程可逆，則dS=0；若變化過程不可逆，則dD>0，總之熵永遠是增加的，因此熱力學(xué)第二定律又稱作熵增定律。“1887年，玻爾茲曼在概率論的基礎(chǔ)上，從微觀角度出發(fā)，對克勞修斯的熱力學(xué)熵理論進行了拓展，揭示了熵的物理意義”。 他建立了熵與微觀狀態(tài)函數(shù)W之間的關(guān)系，得出了熵的數(shù)學(xué)表達式：S=KlnW，這里的K為玻爾茲曼常數(shù)?！霸撌疥U明了熵的微觀本質(zhì)，給予熵明確的統(tǒng)計意義：孤立系統(tǒng)的熵與其微觀狀態(tài)數(shù)的對數(shù)成比例，換言之熵是微觀狀態(tài)個數(shù)的函數(shù)，是系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)度量。W越少，熵越小，系統(tǒng)越有序；反之，W越多，熵越大，系統(tǒng)越無序”。 克勞修斯引入的熵是宏觀物理量，而玻爾茲曼熵是微觀的熵，是系統(tǒng)微觀世界混亂度的度量，是克勞修斯熵的進一步深化。

1948年，美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)通過引入統(tǒng)計熱力學(xué)熵的概念從而創(chuàng)立了信息論，信息論中申農(nóng)得出了同統(tǒng)計力學(xué)熵相同的數(shù)學(xué)公式，稱之為信息熵。在統(tǒng)計熱力學(xué)中，熵可以看作是系統(tǒng)無序狀態(tài)或不確定性的量度，而信息的量度同樣與和它所代表事件隨機性的概率相關(guān)：若事件發(fā)生概率越大，有關(guān)此事件發(fā)生的不確定性就越小，因此包含的信息量就越小，熵值越大；反之如果事件發(fā)生的概率越大小，有關(guān)此事件發(fā)生的不確定程度就越大，其包含的信息量就越大，熵值越小。信息和熵是互補的關(guān)系，信息即是負熵。信息熵的出現(xiàn)使熵的概念突破了熱力學(xué)的界限，為其日后廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

二、熵理論的哲學(xué)意義

（一）熵與負熵的關(guān)系揭示了矛盾的立統(tǒng)一規(guī)律

熵的變化是雙向的，科學(xué)證實熵既有增也有減，負熵即是熵的減少。馬克思主義哲學(xué)認為：“一切矛盾都是由對立著的兩個方面構(gòu)成，矛盾關(guān)系就是發(fā)生在對立面之間的關(guān)系，沒有對立的兩個方面就不能構(gòu)成矛盾。” 在孤立系統(tǒng)內(nèi)，任何變化都不能使系統(tǒng)的總熵減小，所以熵和負熵是對立的。英國物理學(xué)家麥克斯韋于1871年提出的“麥克斯韋妖”這一假想模型雖然從理論上能夠制造出一個局部熵減的系統(tǒng)，但仍然不能推翻熱力學(xué)第二定律，因為局部熵的減小要以周圍環(huán)境熵的增加為代價。1969年比利時物理化學(xué)家普里戈金在一次"理論物理學(xué)和生物學(xué)"的國際會議上首次提出了著名的耗散結(jié)構(gòu)理論，即關(guān)于非平衡系統(tǒng)自組織的理論。耗散結(jié)構(gòu)理論的提出成功解釋了所有生命體以及人類社會不斷有序化發(fā)展這一“熵減”過程，認為生命體以及人類社會的有序化發(fā)展往往要以造成周圍環(huán)境更大的混亂度為代價。因此就生命系統(tǒng)包括人類社會同周圍環(huán)境所組成的全部體系而言，其最終的發(fā)展仍然是朝著無序化進行的，仍然服從于熱力學(xué)第二定律。由此可見，盡管熵和負熵的對立顯而易見，但熵和負熵又是統(tǒng)一的，二者相互依存相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系服從于同一原則即熱力學(xué)第二定律。對立關(guān)系與統(tǒng)一關(guān)系是兩種不同的關(guān)系，但這兩種關(guān)系又總是結(jié)合在一起。現(xiàn)實世界既存在著生物體的熵增，也存在生物體的熵減；既存在非熱力學(xué)孤立系統(tǒng)的減熵，也存在熱力學(xué)孤立系統(tǒng)的增熵。熵增熵減存在于任何一個開放系統(tǒng)中，而整個系統(tǒng)最終是熵增還是熵減則取決于二者的相對大小以及博弈的結(jié)果。

（二）熵變作為判斷平衡和反應(yīng)方向的依據(jù)揭示了質(zhì)量互變規(guī)律

對于化學(xué)反應(yīng)而言，反應(yīng)前后熵的變化稱作反應(yīng)的熵變，其大小影響著作為平衡判據(jù)的熱力學(xué)函數(shù)。十九世紀(jì)末美國物理學(xué)家吉布斯在其發(fā)表的化學(xué)熱力學(xué)經(jīng)典之作《論非均相物體的平衡》中提出了吉布斯自由能這一重要概念，吉布斯自由能是恒壓、恒溫過程中系統(tǒng)自發(fā)反應(yīng)方向與平衡的判據(jù)，其數(shù)學(xué)表達式為 G= H-T S（KJ/mol），“從熱力學(xué)觀點來看，正是能與熵二者的競爭決定了系統(tǒng)所處的狀態(tài)，自由能的公式更是直接表達了這樣的事實，平衡乃是能與熵之間競爭的結(jié)果，溫度T決定著這兩個因素之相對權(quán)重。” 因此在恒溫、恒壓時，吉布斯自由能的大小完全由焓變和熵變決定：當(dāng) G<0時，反應(yīng)可自發(fā)進行；當(dāng) G=0時，體系處于平衡； G>0時逆反應(yīng)自發(fā)進行，對于一個確定的化學(xué)反應(yīng)， H是保持不變的，故在以上所有條件下，只有 S決定著 G的大小，因此隨著 S數(shù)值由小到大， G也必然會經(jīng)歷>0、=0和<0著三種狀態(tài)，這三種狀態(tài)之所以不同，是由于他們具有自身質(zhì)的規(guī)定性。馬克思主義哲學(xué)認為：“量是事物存在和發(fā)展的規(guī)模，程度，速度等可以用數(shù)量表示的規(guī)定性，以及事物構(gòu)成因素在空間上的排列組合方式，量的規(guī)定性不同于質(zhì)的規(guī)定性：質(zhì)與事物的存在是直接同一的；量在一定范圍內(nèi)的增減并不影響某物之為某物?！?在上述過程中 G所經(jīng)歷的三種變化是質(zhì)變，其數(shù)值同0的大小關(guān)系與體系平衡及反應(yīng)方向存在直接的同一性。而 S所經(jīng)歷的變化是量變，在 G≠0的前提下 S保持著關(guān)節(jié)點范圍內(nèi)幅度的增減均不能引起反應(yīng)方向的改變，因此，在該條件下 S與 G的關(guān)系是辯證的，前者變化是后者變化的前提，后者變化是前者變化的必然結(jié)果。所以，透過熵變改變體系平衡及反應(yīng)方向的這一過程中就蘊含著質(zhì)量互變這一哲學(xué)規(guī)律。

（三）體系中熵的變化過程揭示了否定之否定規(guī)律

自然界的演化和發(fā)展是復(fù)雜變化的，在此過程中總是伴隨著熵增和熵減，其外在表現(xiàn)也呈現(xiàn)出有序的進化和無序的退化。在熵概念尚未提出之前，英國物理學(xué)家開爾文首先提出了“熱寂”思想。后來克勞修斯于1867年正式提出“熱寂說”理論?！盁峒耪f”認為：宇宙的熵永遠增大，隨著時間的推移宇宙將接近其熵值極大的極限狀態(tài)，在該極限狀態(tài)下任何變化都不會發(fā)生，宇宙就會逐漸進入一個永恒的死寂狀態(tài)。因此“熱寂說”對達爾文的“進化論”進行了否定，認為生命體的產(chǎn)生以及一切進化都是“表面現(xiàn)象”，其本質(zhì)仍然是退化的、無序的，并且逐步走向最終的消亡。恩格斯曾在其著作《自然辯證法》中對克勞修斯的“熱寂說”理論進行批判，但哲學(xué)思辨終歸不能代替自然科學(xué)，對“熱寂說”理論合理與否的探索仍然是科學(xué)工作者們長期奮斗的方向。1944年，著名物理學(xué)家薛定諤出版了《生命是什么》一書，提出了“生命體想要擺脫死亡順利存活就要不斷的從環(huán)境中不斷汲取負熵”的“負熵說”。1969年比利時物理化學(xué)家普利高津在薛定諤“負熵說”和不違背熱力學(xué)第二定律的理論基礎(chǔ)上，為闡釋生命系統(tǒng)如何產(chǎn)生和進化時提出了“耗散結(jié)構(gòu)理論”，這一理論初步將熱力學(xué)第二定律和“進化論”進行了統(tǒng)一。該理論認為，熱力學(xué)第二定律研究的是孤立系統(tǒng)和平衡態(tài)，而生命系統(tǒng)最重要的特征是它們產(chǎn)生于遠離平衡態(tài)非線性的開放系統(tǒng)。一個遠離平衡態(tài)非線性的開放系統(tǒng)通過與外界進行能量和物質(zhì)的交換，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達到一定臨界值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變，從無序狀態(tài)發(fā)展成有序結(jié)構(gòu)。在這個看似“逆”熱力學(xué)第二定律的過程中，系統(tǒng)從無序到有序的熵減過程實際上是對熵增的否定，即普遍肯定的熵增理論的自我否定，這說明在生命系統(tǒng)產(chǎn)生和進化過程中存在著熵增和熵減的矛盾，由于矛盾雙方的相互作用，當(dāng)熵減的一方占據(jù)主導(dǎo)地位支配著整個系統(tǒng)時，系統(tǒng)就出現(xiàn)了由無序到有序的自發(fā)傾向，進而產(chǎn)生了生命體，并使其不斷的進化。馬克思主義哲學(xué)認為：“肯定的方面是事物保持自身存在的方面，即肯定這一事物它自身的方面。否定的方面是促使該事物滅亡的方面，即促使它轉(zhuǎn)化為其他事物的方面。” 不過這種遠離平衡態(tài)非線性的開放系統(tǒng)一旦形成新的有序的結(jié)構(gòu)，就需要從環(huán)境中不斷吸取負熵通過降低自身的總熵來保證有序結(jié)構(gòu)得以維持，但通常情況下，熱力學(xué)系統(tǒng)相對于其他子系統(tǒng)來說非常龐大，漲落的概率相對于平均值而言又十分渺小，所以生命體依據(jù)熱力學(xué)第二定律走向最終的消亡是不可避免的，即系統(tǒng)熵增同熵減的斗爭中熵增最終將占據(jù)主導(dǎo)地位，這是對熵減的否定，也是對普遍肯定的熵增理論的否定之否定，因此在這個過程中存在著三個環(huán)節(jié)，兩度否定：熵增熵減矛盾的對立、通過漲落和突變熵減占據(jù)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位和最終熵增占據(jù)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位以及對熵增的否定和對熵增否定的再否定。正如恩格斯所說：“事物發(fā)展的過程按本性說是對抗的、包含著矛盾的過程，一個極端向他的反面的轉(zhuǎn)化，最后，作為整個過程的核心的否定的否定?！?由此可見生命體從產(chǎn)生進化到最終消亡是一個熵增過程的否定之否定，這一哲學(xué)規(guī)律也顯示出事物自己發(fā)展自己的完整過程。

注釋：

苑娟、萬焱、褚意新.熵理論及其應(yīng)用.中國西部技.2011，10（5）.42-44.

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