2 熵：一种新的世界观（节选）

里夫金    霍华德

热力学关于熵的概念揭示了热传递的不可逆性，即热量总是自发地从高温热源向低温热源流动，而不是相反。本文从热力学第二定律出发，将熵的观念引申到能源、环境等领域，对当今世界普遍关注的能源危机、环境污染问题表示了深深的忧虑。阅读时，要注意作者运用日常事例说明科学道理的方法。 <?xml:namespace prefix =o ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

节选自《熵：一种新的世界观》(上海译文出版社1987年版)。吕明、袁舟译。作者里夫金和霍华德是美国当代著名社会学家。 

积累下列词语

明白无误    呕心沥血    绞尽脑汁    深不可测    三昧

天网恢恢    疏而不漏    夷为平地    万世不竭    告罄

无济于事

一位名叫麦克斯·格拉克曼〔麦克斯·格拉克曼(1911—1975)〕南非文化人类学家，以研究非洲诸部落的政治制度著称。的人类学家曾经说：“科学是一门学问，它能使这一代的傻瓜超越上一代的天才。”热力学第一定律与第二定律早已编入物理学基础教程，它们所表达的内容现在看来不过是简单明了的常识而已。然而将它们最终明白无误地表达出来，却经过了一段曲折的路程；许多天才为之呕心沥血，提出过大量复杂的理论。奇怪的是，虽然科学家们多少年来为这两个定律的真正涵义绞尽脑汁，地球上各民族文化的民谚却早已悟出其中三昧〔三昧〕梵文Samadhi的音译，指使心神平静、杂念止息的修行方法。后借指事物的要诀。。我们都听说过这些说法：“你不可能不劳而获”，“覆水难收”或者“天网恢恢，疏而不漏”。如果这些谚语对你说来不算陌生，而且在日常生活中你也反复有过这样的亲身体验的话，那么，你就懂得了热力学第一定律和第二定律。

热力学概念乍听起来有些深不可测，其实它们是我们所知道的最简单而又给人印象最深的科学概念。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。

这也就是说我们既不能创造，也不能消灭能量。宇宙中的能量总和一开始便是固定的，而且永远不会改变。热力学第一定律就是能量守恒定律，它告诉我们能量虽然既不能被创造又不能被消灭，但它可以从一种形式转化为另一种形式。

我们应该牢记的最重要的一点，就是我们不能创造能量。从来就没人创造过能量，也永远不会有人能创造。我们力所能及的只是把能量从一种状态转化成另一种状态。要理解这一点不甚容易，特别是考虑到一切都是由能量所生成的。世间万物的形态、结构和运动都不过是能量的不同聚集与转化形式的具体表现而已。一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都体现了从一种形式转化成为另一种形式的能量。高楼拔地而起，青草的生成，都耗费了在其他地方聚集起来的能量。高楼夷为平地，青草也不复生长，但它们原来所包含的能量并没有消失，而只是被转移到同一环境的其他所在去了。我们都听说过这么一句话：太阳底下没有新鲜东西〔太阳底下没有新鲜东西〕这是《旧约·传道书》中的话，一般译作“日光之下，并无新事”。。要证实这一点你只需呼吸一下。你刚才吸进了曾经让柏拉图〔柏拉图(前427—前347)〕古希腊著名的唯心主义哲学家。认为理念是世界的本原，是古希腊哲学家中第一个留下大量著述的人，对后世影响很大。吸进过的5 000万个分子。

如果我们需要考虑的仅仅是热力学第一定律，那我们滥用那万世不竭的能源也没有什么奥妙了。然而我们知道世界并非如此。比如我们烧掉一块煤，它的能量虽然并没有消失，但却经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到空间中去了。虽然燃烧过程中能量并没有消失，但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。热力学第二定律解释了这个现象。它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的熵。

熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。这个名称是由德国物理学家鲁道尔夫·克劳修斯〔鲁道尔夫·克劳修斯(1822—1888)〕德国物理学家，热力学的奠基人之一。于1868年第一次造出来的。但是年轻的法国军官沙迪·迦诺〔沙迪·迦诺(1796—1832)〕一般译作“卡诺”，法国物理学家、工程师，在研究热机效率的过程中，提出了“卡诺循环”定理。却比克劳修斯早41年发现了熵的原理。迦诺在研究蒸汽机工作原理时发现，蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。换一句话说，要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异(即温差)。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个水平转化到另一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就减少了。比如河水越过水坝流入湖泊。当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的状态了。在水平面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量状态分别被称为“有效的”或“自由的”能量，和“无效的”或“封闭的”能量。

熵的增加就意味着有效能量的减少。每当自然界发生任何事情，一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的能量构成了我们所说的污染。许多人以为污染是生产的副产品，但实际上它只是世界上转化成无效能量的全部有效能量的总和。耗散了的能量就是污染。既然根据热力学第一定律，能量既不能被产生又不能被消灭，而根据热力学第二定律，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。它是某一系统中存在的一定单位的无效能量。

能量平均状态是熵值达到最大的状态，那时将不再有任何自由能量来进一步做功了。克劳修斯在总结热力学第二定律时说：“世界的熵(即无效能量的总和)总是趋向最大的量的。”

我们地球上有两个有效能量的来源：一个是地球本身所蕴藏的能量，另一个是太阳能。经济学家赫尔曼·戴利对两者之间的区别做了如下的解释：

虽然太阳能量的总和每秒钟都在递减，然而远在它的熵达到最大值之前，地球上的能源就早已告罄〔告罄〕指财物用完或货物售完，这里指能源枯竭。了。每当你点燃一支香烟的时候，世界上的有效能量就减少了一点儿。当然就像我们已经指出过的那样，在一段孤立的时间内的一个特定场合，我们可以逆转熵的过程；但我们同时却必须消耗更多的能量，并使整个环境的熵的总值进一步增加。这点对工业回收有特殊意义。许多人相信，只要我们发展适当的技术，那么我们所用过的一切东西都是可以被完全回收并再次使用的。其实不然。虽然更为有效的回收技术对我们这个星球的生存的确有着十分重要的意义，然而要做到接近100%的回收是不可能的。目前绝大多数金属的平均回收率为30%。而且回收过程中废旧材料的收集、运输和处理都要消耗额外的能量，导致同一环境里熵的增加。

每个孩子在学习生物学基本原理时都被告知自然界一切物质是在不断循环再生着的。这一点并没有错，因为它说的只是物质既不能被创造也不能被消灭，是热力学第一定律的重复而已。然而不幸的是人们往往忽略了热力学第二定律。而这一定律告诉我们，物质虽然可以循环再生，但必须以一定的衰变为代价。比如我们从地底下挖出一块金属矿石并将它冶炼成一件餐具。在餐具的使用期内，由于磨损，金属分子不断地离开这件餐具。这些离开了餐具的金属分子并没有被消灭，它们最终又回到了土壤中。但它们现在是零零星星地散失在土地里，而不是处于一种聚集状态，因而已不能再像原来那块金属矿石一样被有效地使用了。也许我们可以找到一个方法来回收这些四处散失的金属分子，但在同时我们又要付出熵的更大增加的代价。我们必须安装一部机械装置来收集这些分子，还要动用新的能源来启动这个装置。机械装置本身又来自地表里的金属矿石，而它在回收其他零星金属分子时又会磨损，又要损失自身的金属分子。同时，回收装置所耗费的能量又使熵有所增加。

当有效能量告罄时，我们称之为“热寂”。当有效物质用尽时，我们称之为“物质混乱”。两者导致的都是熵，都是物质与能量的耗散。结果它们的集中程度降低，做有用功的能力也降低。

有些科学家争辩说，经过很长的时间，太阳能够对地表起一定作用，使消散了的金属分子又重新回到聚集的状态中去。这在统计数字上也许是可能的，但对人类却无济于事，因为这个过程是用地质学上的时间来衡量的，也就是说要花好几十亿年的时间。然而在短期内，在一些特定的地理区域里，能源与物质的熵的增加则是实实在在的现象。 

练习

一  课文的第一段，作者举出三个民谚，用来启发人们认识热力学第二定律。作者又说，“如果这些谚语对你说来不算陌生……那么，你就懂得了热力学第一定律和第二定律”。试结合文章的其他论述，从能量耗散方面，阐释下面这些语句的意义。

1.你不可能不劳而获：

2.覆水难收：

3.天网恢恢，疏而不漏：

二  “熵”(Entropy)这一中文译名是意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来中国讲学，我国物理学家胡刚复作翻译，苦于无法将“Entropy”这一概念译成中文。他根据“Entropy”为热量与温度之商，而且这个概念与“火”有关，就在“商”上另加火旁，构成一个新字“熵”。本文在论述中，也多次以燃烧为例。试找出三个例子，说说作者举这些例子所说明的道理。

三  本文阐述科学道理，有概述，有解说。概述部分多是论述的要点，常常用判断语句；解说部分则多举具体事例作说明。试以两段课文为例，找出作者论述的要点，并对作者的论述作简要分析。

四  在《熵：一种新的世界观》一书中，作者还指出这样一个事实：“世界上的有效能源不断被消耗掉，而最先消耗的总是最容易得到的能源”，越到后来，开发利用能源越要“耗费更多的能量”。试结合本地的环境问题或能源问题，谈谈你对保护环境或节约能源问题的认识。