向經(jīng)典熱力學(xué)的挑戰(zhàn)從負(fù)熵到“負(fù)熵論”

1、向經(jīng)典熱力學(xué)的挑戰(zhàn)從負(fù)熵到“負(fù)熵論”向經(jīng)典熱力學(xué)的挑戰(zhàn)從負(fù)熵到“負(fù)熵論”王身立一、宇宙熱寂論、麥克斯韋妖與負(fù)熵?zé)崃W(xué)發(fā)展的初期，克勞修斯(R.J.E.CIausius)和湯姆遜(W.Thomson，即開爾文LordKelvin)等人，把熱力學(xué)第二定律濫用于整個(gè)宇宙，得出荒謬的“宇宙熱寂論”，認(rèn)為整個(gè)宇宙都發(fā)生著熵增加，最后整個(gè)宇宙將會達(dá)到熱平衡，熵值達(dá)到最大，溫度差消失，壓力變?yōu)榫鶆?，所有的能量都成為不可再進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)化的束縛能，整個(gè)宇宙都陷入停止變化、停止發(fā)展的狀態(tài)。在19世紀(jì)，能夠認(rèn)識到熱寂論謬誤的科學(xué)家寥寥無

2、幾。在文獻(xiàn)中留下記錄的，只有波耳茲曼(L.E.BoItzman)和麥克斯韋(J.C.Maxwell)兩人。早在1866年，離克勞修斯提出“宇宙的熵趨向極大值”的論點(diǎn)不過一年時(shí)間，甚至當(dāng)克勞修斯還來不及進(jìn)一步發(fā)揮成宇宙熱寂論時(shí)（克勞修斯說宇宙將發(fā)生熱的死寂是在1867年），玻耳茲曼就注意到生物的生長過程與熵增加相拮抗的事實(shí)。他說：“生物為了生存而作的一般斗爭，既不是為了物質(zhì)，也不是為了能量，而是為了熵而斗爭（聯(lián)系上下文來看，波耳茲曼這句話的意思是說生物學(xué)過程是對抗熵增加的斗爭本文作者注）。這種斗爭在能量從熱的太陽到冷的地球的轉(zhuǎn)移過程中很

3、有價(jià)值。為了盡可能利用這種轉(zhuǎn)移，植物鋪開了它的面積大得不可計(jì)量的葉片，以一種尚未探明的方式，迫使太陽去完成我們在實(shí)驗(yàn)室中不知道如何完成的化學(xué)合成。”1895年，波耳茲曼還曾進(jìn)一步提出“微觀起伏”說來反駁熱寂論。麥克斯韋也模模糊糊、隱隱約約地意識到，自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機(jī)制。但他當(dāng)時(shí)無法清晰地說明這種機(jī)制。他只能假定一種“類人妖”，能夠按照某種秩序和規(guī)則把作隨機(jī)熱運(yùn)動的微粒分配到一定的相格里。這就是1871年出現(xiàn)的有名的“麥克斯韋妖”（Max

4、well&#82仃;sdemon）的概念。由于麥克斯韋妖只是一種猜想，當(dāng)然不可能解決宇宙熱寂論的問題。玻爾茲曼所說的綠色植物進(jìn)行光合作用與熵增加相拮抗，則要求從陽光輸入更多的負(fù)熵，也就是說，是以太陽的更大的熵增加為代價(jià)的。至于微觀起伏，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以與宇宙中極其巨大的熵增加過程(例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨脹)相抗衡。于是，宇宙熱寂論成了19世紀(jì)的自然科學(xué)留給20世紀(jì)的一大疑難問題。1914年，斯莫魯霍夫斯基(M.Smoluchowski)第一次揭示了“麥克斯韋妖”的荒謬性。他提出“妖”的新陳代謝問題。他

5、指出，干預(yù)系統(tǒng)的“妖”要看作系統(tǒng)的一部分，不然就不是孤立系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)斯莫魯霍夫斯基的想法太粗略，以至沒有能夠說服物理學(xué)家們。齊拉德(LeoSzilard)在斯莫魯霍夫斯基工作的影響下，對麥克斯韋妖作用的原理進(jìn)行了較為深入的分析。1929年，德國物理學(xué)期刊上發(fā)表了齊拉德的一篇論文“精靈的干預(yù)使熱力學(xué)系統(tǒng)的熵減少”。首先，齊拉德提出熵減一定以系統(tǒng)的某種物理量作為補(bǔ)償，這一物理量的補(bǔ)償實(shí)際上就是增加信息。齊拉德的工作是現(xiàn)代信息論的先導(dǎo)，他還提出了一個(gè)計(jì)算信息量的公式：I=-k(W1lnW1+W2lnW2)式中W是熱力學(xué)幾率

6、。齊拉德還首次提出了“負(fù)熵”這個(gè)經(jīng)典熱力學(xué)中從未出現(xiàn)過的概念和術(shù)語。齊拉德這篇開創(chuàng)性的論文當(dāng)時(shí)也沒有被人們充分理解。更令人遺憾的是，他本人也沒有沿著這條道路繼續(xù)探索下去。1944年，著名的物理學(xué)家、量子力學(xué)的奠基人之一、諾貝爾獎獲得者薛定鍔（E.Schrodinger）岀版生命是什么？一書，更加明確地論述了負(fù)熵的概念，并且把它應(yīng)用到生物學(xué)問題中，提岀了“生物賴負(fù)熵為生”（或譯“生物以負(fù)熵為食”）的名言。薛定鍔說：“要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從

7、環(huán)境中不斷地吸取負(fù)熵。我們馬上就會明白，負(fù)熵是十分積極的東西。有機(jī)體就是賴負(fù)熵為生的?；蛘吒_切地說，新陳代謝中的本質(zhì)的東西，乃是使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它自身活著的時(shí)候不得不產(chǎn)生的全部的熵。”負(fù)熵的概念最初是不容易被人們接受的。薛定鍔本人也明白地寫道：“關(guān)于負(fù)熵的說法，遭到過物理界同事們的懷疑和反對。我首先要說的是，如果我只是想迎合他們的心意的話，那我就該用自由能來代替這個(gè)問題的討論了”。薛定鍔一開始就意識到負(fù)熵與自由能的聯(lián)系，說明他的目光敏銳，思想深刻。如果有一種機(jī)構(gòu)，它是一個(gè)開放系統(tǒng)，能夠不斷地從外界獲得并積累自由能，它就產(chǎn)生負(fù)熵

8、了。生物體就是這種機(jī)構(gòu)。動物從食物中獲得自由能（或負(fù)熵），而綠色植物則從陽光中獲得它們，這真是“生物賴負(fù)熵為生”！后來著名的美籍俄裔理論物理學(xué)家兼科普作家蓋莫夫（G.Gamow）在一本通俗著作中也討論過這個(gè)問題。二、熵與信息經(jīng)典熱力學(xué)中關(guān)于熵的概念，最先是由克勞修斯提出來的。它的定義是即“熱溫商”，作為熱力學(xué)過程不可逆程度的一種量度。統(tǒng)計(jì)力學(xué)使我們對熵這個(gè)概念的實(shí)質(zhì)有了更為深刻的理解。統(tǒng)計(jì)力學(xué)中對熵的定義是玻爾茲曼關(guān)系式：式中W是分子熱運(yùn)動狀態(tài)的幾率(熱力學(xué)幾率)。這樣，熵便是分子隨機(jī)熱運(yùn)動狀態(tài)的幾率大小的量度，也

9、就是分子熱運(yùn)動的混亂程度或無序度。如果所討論的對象不限于分子熱運(yùn)動，我們也可以借用熵的概念來描述并非分子熱運(yùn)動的其他任何物質(zhì)運(yùn)動方式、任何事物、任何系統(tǒng)的混亂度或無序度。這樣，我們就可以有另一種關(guān)于熵的概念，它是熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中熵概念的推廣，可以叫做廣義熵。廣義熵也可以借用玻爾茲曼關(guān)系式來定義但式中W可以是任何一種物質(zhì)運(yùn)動方式所可能有的運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)目。廣義熵也可以說是我們對事物運(yùn)動狀態(tài)的不肯定程度(不定度)，這事實(shí)上就是信息論和控制論中關(guān)于熵的概念。這一概念幾乎同時(shí)分別由費(fèi)歇(R.A.Fisher)、維納(N.Wiener)和申農(nóng)(C.E.Shannon)從數(shù)學(xué)上表述岀來。它也是由幾率來定義

10、的：當(dāng)我們得到足夠的信息后所消除的關(guān)于事物運(yùn)動狀態(tài)的不肯定性程度，或者說所消除（或減少）的熵，可以叫做負(fù)熵，也就是信息量：信息量所表示的是體系的有序度、組織結(jié)構(gòu)程度、復(fù)雜性、特異性或進(jìn)化發(fā)展程度。這是熵（無序度、不定度、混亂度）的矛盾對立面，即負(fù)熵。關(guān)于信息論的熵與熱力學(xué)熵的關(guān)系，布里淵（L.Brillouin）林啟茨（H.Linschitz）和奧根斯坦（L.Augensine）等曾進(jìn)行過初步討論。在數(shù)學(xué)式中的表示方面，比較（2）和（4）兩式，于是我們有：由（5）式可知，只要通過單位的換算，就可以用信息量表示負(fù)的熵值，也可以用熵來表示負(fù)的信息。在文獻(xiàn)中，熵和信息曾有過許多種不同單位或不同符號的

11、表示法，但在概念上卻只有兩種。一種是熱力學(xué)的熵，只能應(yīng)用于分子或其他粒子的熱運(yùn)動這種特定的物質(zhì)運(yùn)動方式。它可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出（經(jīng)驗(yàn)物理熵），也可由分子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)理論推演而得（理論物理熵）；另一種是廣義熵，它來自信息論和控制論，可應(yīng)用于描述任何一種物質(zhì)運(yùn)動方式（包括生命現(xiàn)象）的混亂度或無序度，它的矛盾對立面叫負(fù)熵或信息量，是組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度或有序度的表示。廣義熵概念的含義比熱力學(xué)熵要廣，對于熱力學(xué)過程可還原為熱力學(xué)的熵（通過單位換算）。但熱力學(xué)的熵卻并不能應(yīng)用于非熱力學(xué)過程，因?yàn)闊崃W(xué)熵的概念局限于粒子熱運(yùn)動這種特定的物質(zhì)運(yùn)動方式，它與能量(熱量)的分配有特定的比例關(guān)系。對于并不涉及熱能轉(zhuǎn)換的非熱

12、力學(xué)過程，是不能應(yīng)用的?？梢哉f，熱力學(xué)熵的概念是包含于廣義熵之中的。三、從不可逆過程熱力學(xué)到耗散結(jié)構(gòu)理論本世紀(jì)40年代，科學(xué)中出現(xiàn)了一連串的新概念沖擊著經(jīng)典熱力學(xué)。除了前述薛定鍔提出的負(fù)熵概念、控制論和信息論中對于熵概念的推廣之外，還有以普里高津(I.Prigoging)為首的布魯塞爾學(xué)派提出的“非平衡定態(tài)”熱力學(xué)理論。到50年代，進(jìn)一步發(fā)展為“不可逆過程熱力學(xué)”，終于在70年代發(fā)展為耗散結(jié)構(gòu)理論。耗散結(jié)構(gòu)是指在遠(yuǎn)離平衡的條件下，借助于外界的能量流、質(zhì)量流和信息流而維持的一種空間或時(shí)間的有序結(jié)構(gòu)，它隨著外界的輸入而

13、不斷地變化，并能進(jìn)行自組織，導(dǎo)致體系本身的熵減少。普里高津用數(shù)學(xué)方法從理論上論證了耗散結(jié)構(gòu)的存在，并且用他所創(chuàng)立的非平衡、非線性熱力學(xué)理論進(jìn)行了深入的研究。耗散結(jié)構(gòu)在某些物理化學(xué)過程、自動控制系統(tǒng)以及生物學(xué)過程中都有很重要的意義，它有助于闡明生命現(xiàn)象中組織結(jié)構(gòu)和有序度增長的現(xiàn)象。由于這方面的卓越貢獻(xiàn)，普里高津榮獲1977年的諾貝爾化學(xué)獎。50年代普里高津曾在不可逆過程熱力學(xué)導(dǎo)論一書中指出，不可逆過程熱力學(xué)中關(guān)于非平衡態(tài)的描述“與生物機(jī)體的顯著特征精彩地相符合。”“在生物機(jī)體生長時(shí)，實(shí)際表現(xiàn)出當(dāng)向定態(tài)發(fā)展時(shí)熵產(chǎn)生減少的事實(shí)&#8

14、221;“生物體組織結(jié)構(gòu)普遍地增加的事實(shí)相應(yīng)于熵減少。”因而普里高津說：“生物機(jī)體的行為，從經(jīng)典熱力學(xué)觀點(diǎn)看起來，總似乎是如此奇異，熱力學(xué)對這樣體系的可應(yīng)用性時(shí)常是有疑問的。我們可以說，從開系和定態(tài)系的熱力學(xué)觀點(diǎn)看起來，它們主要行為的更好了解是獲得了。”德格魯脫（S.R.deGroot）也指岀，“（生物）系統(tǒng)在生長的最后階段達(dá)到每單位質(zhì)量具有最小熵增率的狀態(tài)。在此過程中熵本身在減少，而此時(shí)在有機(jī)體內(nèi)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的增長。”“進(jìn)化理論說到在這過程中的內(nèi)部復(fù)雜化

15、趨勢，與上面提及的熵減少是一致的。”普里高津和德格魯脫說生物體組織結(jié)構(gòu)的增長相應(yīng)于熵減少，這里所說的熵，事實(shí)上是信息論的熵（廣義熵）而不是熱力學(xué)的熵?？磥?，普里高津后來察覺到了這一點(diǎn)。因此他在耗散結(jié)構(gòu)理論中就小心翼翼地避免使用熵減少或負(fù)熵來指有序化。他只是說，耗散結(jié)構(gòu)依靠來自環(huán)境的負(fù)熵流輸入而產(chǎn)生有序化，但他決不再輕易說有序化也是熵減少。這是普里高津的嚴(yán)謹(jǐn)之處。他將整個(gè)耗散結(jié)構(gòu)理論局限于熱力學(xué)中。即使是“非平衡、非線性”熱力學(xué)，也仍然是熱力學(xué)！但是，普里高津并不留戀經(jīng)典熱力學(xué)的過去時(shí)代，而稱自己“一生主要著眼點(diǎn)在未

16、來”，是屬于未來的樂觀派。我們透過普里高津一系列的論著和講演，看到他正醞釀著一個(gè)更遠(yuǎn)大的目標(biāo)：如何把自然科學(xué)、生命科學(xué)和社會科學(xué)三者的發(fā)展規(guī)律統(tǒng)一起來，即向著廣義的大統(tǒng)一進(jìn)軍要實(shí)現(xiàn)這個(gè)大統(tǒng)一的目標(biāo)，不徹底突破熱力學(xué)的框框恐怕是不行的。事實(shí)上普里高津已經(jīng)從非平衡和非線性兩個(gè)方面在向經(jīng)典熱力學(xué)發(fā)起突破性的進(jìn)攻了。雖然他目前還做得很不徹底，但他畢竟開始認(rèn)識到信息論概念對發(fā)展耗散結(jié)構(gòu)理論的意義。他自己說，他在耗散結(jié)構(gòu)理論中“使用了物理化學(xué)語言。另一些人可能喜歡說成負(fù)反饋，或自動調(diào)節(jié)等等。因此把我們的探討與信息論密切聯(lián)系將是可行的”。布雷默曼(

17、H.J.Bremermann)說得更為透徹：“不能只從能量的耗散來推演生物的結(jié)構(gòu)，更重要的是信息。”生物系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都不是熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)而是信息系統(tǒng)，只有廣義的、信息論的負(fù)熵概念才是它們共同統(tǒng)一的因素。耗散結(jié)構(gòu)與負(fù)熵的研究如果能夠與信息論和控制論的研究結(jié)合起來，就有可能出現(xiàn)新的突破。四、信息熱力學(xué)既然熱力學(xué)熵的概念包含在信息論的熵(廣義熵)概念之中，那么，是否可以從信息論概念來推廣整個(gè)熱力學(xué)，或者說，建立一種研究信息系統(tǒng)的更廣義的理論體系，而以熱力學(xué)系統(tǒng)作為其特例呢？下面即試圖從這方面進(jìn)行一些初步探論。熱力學(xué)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)對于熱力學(xué)過程來說，如果沒有

18、冷熱的差異或矛盾，熱是不能傳遞和轉(zhuǎn)化的。單一的熱源既不能傳熱，也無法作功。要使作熱運(yùn)動的分子朝一定的方向運(yùn)動，以傳熱和作功，就得用冷源來控制分子運(yùn)動的方向，使熱量從高溫流向低溫。這里，冷源的作用是提供信息，以控制熱能轉(zhuǎn)移的方向。從信息論的觀點(diǎn)來看，冷源便是一個(gè)信息源。在熱量轉(zhuǎn)移過程中，冷源接受熱源的一部分熱量，分子運(yùn)動的混亂度增加。用信息論的術(shù)語來說，熱源是一個(gè)噪聲源，它對冷源發(fā)生噪擾。這樣，我們可以借用信息論的概念和術(shù)語把“熱源熱機(jī)冷源”所組成的熱力學(xué)系統(tǒng)看成是一個(gè)通信系統(tǒng)，傳熱過程可以看成一個(gè)通信過程。熱力學(xué)第二定律的信息論表述方式用信息論的術(shù)語來表

19、述熱力學(xué)第二定律，便是：如果不從外界得到新的信息，那么對信息所進(jìn)行的操作和變換不可能使信息量增加，或者說，不定度不可能減少。熱力學(xué)第二定律的信息論表述方式的含義更廣，可應(yīng)用于并非熱力學(xué)過程的任何信息傳遞或變換過程，因此，可以稱之為廣義的熱力學(xué)第二定律。熱和功熱是質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動，是一種未受控制的能量形式。而能量作功時(shí)則是一種有規(guī)則的形式，能量以功的形式傳遞可以受到控制和管理?？梢哉f，熱是不帶有信息的能量形式，而功則是一種帶有信息的能量傳遞形式。因此，當(dāng)利用冷源通過熱機(jī)而提供信息，以控制和管理熱源的能量傳遞方向，就可以獲得功。當(dāng)功這種帶有信息的能量傳遞形式受到噪擾時(shí)便更會損失信息而轉(zhuǎn)化為熱，

20、例如摩擦這種不規(guī)則的機(jī)械運(yùn)動形式就會產(chǎn)生“噪聲”，使信息損失，因而使功轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。熱力學(xué)第二定律的信息論表述方式告訴我們，任何自動進(jìn)行的熱力學(xué)過程總是要損失信息的。因此，功可以損失掉它所攜帶的全部信息而完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷６诓灰鹜饨缙渌兓臈l件下，熱卻不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，這是因?yàn)樵跊]有外界提供附加信息的條件下，信息的損失無法得到補(bǔ)充的緣故。同樣，電能、光能、化學(xué)能等等，都是帶有信息的能量形式，它們都可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔谕饨绮惶峁└郊有畔⒌臈l件下，熱就無法全部轉(zhuǎn)變成其他任何一種攜帶信息的能量形式。束縛能和自由能能量的傳遞和轉(zhuǎn)化必須有信息的控制才能進(jìn)行。例如兩

21、個(gè)溫度相等的物體進(jìn)行熱力學(xué)的相互作用，當(dāng)外界不時(shí)它們作功時(shí)，由于缺乏信息，熱的傳遞不可能進(jìn)行。但這兩個(gè)物體都含有熱能，這種由于缺乏信息而無法傳遞和轉(zhuǎn)化的能量，便是束縛能。廢熱就是一種束縛能，除非另外向它提供信息，否則便無法利用。當(dāng)二物體間存在溫度差時(shí)，它們進(jìn)行熱力學(xué)的相互作用，就會產(chǎn)生單向性的熱量傳遞。這是因?yàn)檩^冷的物體向較熱的物體提供了信息，因而控制較熱的物體的熱量向較冷的物體轉(zhuǎn)移。能夠轉(zhuǎn)移的熱量部分便是“&#8221(;exergie)。另一方面，較冷的物體本身也具有一定溫度，具有內(nèi)部的分子隨機(jī)熱運(yùn)動，在與較熱物體的相互作用過程中又不斷受到較熱物體的噪擾，因此它

22、不可能提供完全的信息。當(dāng)兩物體達(dá)到溫度相等的熱平衡狀態(tài)時(shí)，便不再有可以利用的信息，因此能量傳遞就無法再進(jìn)行。這時(shí)的為0，只有束縛能或“”(anengie或anexergie)了。在熱力學(xué)中，自由能F=U-TS，式中U是總內(nèi)能，由于熱力學(xué)過程受分子熱運(yùn)動本身的噪擾而損失信息，也就是由于熵S的存在，使得其中TS的部分無法進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)化，TS這一項(xiàng)即束縛能。可逆過程與不可逆過程對于可逆過程，當(dāng)其沿正方向進(jìn)行后，又沿反方向進(jìn)行而返回初態(tài)時(shí)，不引起周圍環(huán)境的任何變化，能量傳遞或轉(zhuǎn)化的能力毫無損失。因此，可逆過程實(shí)質(zhì)上是不損失信息的過程。理想的卡諾可逆熱機(jī)，因?yàn)槠渲?/p>

23、不存在任何漏氣、摩擦和其他任何損失，因之也不損失信息，故能可逆地循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。熱力學(xué)中設(shè)想的所謂準(zhǔn)靜態(tài)過程，過程進(jìn)行的每一步都處在連續(xù)的平衡狀態(tài)，變化無限小地進(jìn)行，過程進(jìn)行的時(shí)間無限長，這樣，在每一步中都幾乎沒有發(fā)生信息的損失，因而是可逆的。這相當(dāng)于信息論中的“正規(guī)變換器”或“非奇異變換器”。不可逆熱機(jī)由于有把功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬哪Σ链嬖?，摩擦所?dǎo)致的分子隨機(jī)熱運(yùn)動對過程進(jìn)行中的信息傳遞發(fā)生了噪擾，信息受到損失。因此不可逆熱機(jī)的效率小于可逆熱機(jī)。不可逆熱機(jī)有信息損失，相當(dāng)于信息論中的“非正規(guī)變換器&

24、#8221;或“奇異變換器”。五、信息與能量極好的說明。對于耗散結(jié)構(gòu)，輸入的負(fù)熵也是與輸入的能量成正比的。但對于信息系統(tǒng)，輸入的信息與輸入的能量之間卻不存在這種比例關(guān)系。例如一部收音機(jī)或電視機(jī)，它輸入的信息是通過天線接收的電臺或電視臺的載波信號，信號的強(qiáng)弱與信號本身包含的信息量不成比例關(guān)系。輸入信號的信息量與電源供給的電源之間也不存在比例關(guān)系。這里，從電源輸入的是熱力學(xué)的負(fù)熵，而從天線輸入的是信息論的負(fù)熵系統(tǒng)內(nèi)部的有序化，例如顯像管屏幕上圖像的有序化或喇叭聲頻振動的有序化，也可以用信息論的負(fù)熵來描述。這種有序化雖然要以電源的熱力學(xué)負(fù)熵輸入作為先決條件，但

25、兩者之間卻并不存在因果關(guān)系。從天線輸入的信息論負(fù)熵才是產(chǎn)生這類信息系統(tǒng)內(nèi)部有序化的原因。正如人腦活動的有序化與吃飯（供應(yīng)能量或熱力學(xué)的負(fù)熵）之間不存在因果關(guān)系一樣。消耗不同的能量可以傳遞同樣多的信息，而不同的信息量卻又可以用同樣多的能量傳遞出去。例如用不同的功率來拍發(fā)同一份電報(bào)，它們所傳遞的信息相等，消耗的能量卻不同；而信息量不同的兩份電報(bào)，卻又可以用同樣的功率拍發(fā)出去。因此，為節(jié)省能量計(jì)，實(shí)際的信息系統(tǒng)往往都是用很微量的能量來傳遞極其大量的信息。無論是工程技術(shù)中的通訊系統(tǒng)和自控系統(tǒng)，還是大自然本身所造成的生命系統(tǒng)，都是如此。例如對一部電子計(jì)算機(jī)輸入很多指令，就只要消耗很少的能量。動物體的神經(jīng)

26、系統(tǒng)用來指揮肌肉活動所消耗的能量，與肌肉活動本身所消耗的能量相比，就簡直小得微不足道。信息系統(tǒng)從信息輸入裝置（例如天線）輸入由很小的能量所攜帶的大量信息，這大量的信息又可以控制電源所提供的大量能量的變化，例如轉(zhuǎn)化為電視機(jī)熒光屏上的有序化圖像。自控系統(tǒng)往往還能控制更大得多的能量變化。這就是用小能量控制大能量的原理，或信息放大器原理。對于熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的有序化是由單一的熱力學(xué)負(fù)熵流而引起的，除此之外，它再沒有其他的信息流輸入，這就是普里高津之所以能夠避開信息概念的原因。也正因?yàn)槿绱?，輸入的?fù)熵和能量之間才存在確定的比例關(guān)系。這就是說，熱力學(xué)的耗散結(jié)構(gòu)中不存在信息放大機(jī)制。但對于信息系統(tǒng)，

27、熱力學(xué)的負(fù)熵流（例如電源供給）與信息論的負(fù)熵流（例如天線輸入的信息流）分開了，出現(xiàn)了信息放大機(jī)制，系統(tǒng)內(nèi)部的有序化程度是輸入的信息流所引起的，與電源所輸入的負(fù)熵之間就不再存在因果關(guān)系和比例關(guān)系了。“麥克斯韋妖”問題的實(shí)質(zhì)也就是用信息來控制能量的轉(zhuǎn)移或變換。1929年齊拉德（L.Szilard）發(fā)表了一篇討論熵的論文，被認(rèn)為是申農(nóng)信息論的先導(dǎo)，其中就提出麥克斯韋妖要減少它所控制的系統(tǒng)的熵，它就要付出代價(jià)本身產(chǎn)生熵增加。1948年，維納在控制論一書中也指出，“麥克斯韋妖在動作以前，必須收到有關(guān)前來的粒子的速度和位置的信息&#822

28、1;。到50年代，布里淵應(yīng)用熵的信息論解釋，指出麥克斯韋妖要能分辨粒子運(yùn)動速度的大小，就必須從外界獲得信息，引起環(huán)境更大的熵增加?；蛘哒f，麥克斯韋妖必須從環(huán)境中獲得更多的負(fù)熵為代價(jià)。于是，麥克斯韋妖的疑難就最后被解決了。麥克斯韋妖疑難的解決，不僅是舊問題的結(jié)束，而更是新問題的開始。維納說：“拒絕由麥克斯韋妖產(chǎn)生的問題要比解答這個(gè)問題簡單。否認(rèn)這種東西或這種結(jié)構(gòu)存在的可能性是最容易不過的事了。嚴(yán)格意義上的麥克斯韋妖不可能存在，可是如果我們一開始就接受這一點(diǎn)而不加以論證，那我們就要失去一個(gè)難得的機(jī)會來研究關(guān)于熵和關(guān)于在物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)中麥克斯韋妖的可能意義的系統(tǒng)知識。&am

29、p;#8221;如果我們把從外界輸入負(fù)熵而產(chǎn)生有序化的系統(tǒng)都看成是一種含義經(jīng)過修正的麥克斯韋妖，我們就有了一個(gè)統(tǒng)一的概念來研究包括耗散結(jié)構(gòu)、信息系統(tǒng)和生命系統(tǒng)在內(nèi)的一切產(chǎn)生負(fù)熵的開放系統(tǒng)了。含義經(jīng)過修正的麥克斯韋妖并不違反熱力學(xué)第二定律，它是在以環(huán)境提供負(fù)熵為代價(jià)的舞臺上演出的有聲有色、內(nèi)容豐富、威武雄壯的史劇。熱力學(xué)第二定律只告訴我們，每一臺這樣的史劇遲早都要結(jié)束。而我們的任務(wù)是研究每一臺史劇，并且去導(dǎo)演水平更高、信息量更大的史??！薛定鍔的負(fù)熵概念、維納的控制論、申農(nóng)的信息論、普里高津的耗散結(jié)構(gòu)理論……，都是科學(xué)舞臺上一幕幕威武雄壯的史劇。也許，一場更

30、為威武雄壯的科學(xué)史劇正在等待我們?nèi)ゾ帉?dǎo)哩！六、負(fù)熵和宇宙論麥克斯韋妖的疑難解決了，還有宇宙熱寂論疑難的問題。耗散結(jié)構(gòu)以及其他一切含義經(jīng)過修正的麥克斯韋妖，都依賴于從環(huán)境輸入負(fù)熵而產(chǎn)生有序，因此，這種有序化是以環(huán)境中更大的熵增為代價(jià)的。如果把耗散結(jié)構(gòu)與其環(huán)境整個(gè)看成一個(gè)系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)是仍然要產(chǎn)生熵增加的。事實(shí)上，普里高津本人也沒有給耗散結(jié)構(gòu)的研究提出解決宇宙熱寂論的任務(wù)。錢學(xué)森同志說：“普里高津的理論是很有啟發(fā)性的，它使我們從經(jīng)典熱力學(xué)的窒息氣氛中解放出來，再也不必去召喚麥克斯韋妖來減小某處的熵了。”如果我們把這句話理解成普里高津的理論已經(jīng)解決了熱寂論

31、問題，那就錯(cuò)了。恩格斯早就說過：“只有指出了輻射到宇宙間的熱怎樣變得可以重新利用，才能最終解決這個(gè)問題。”同時(shí)，恩格斯還明確地預(yù)言：“放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑(指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在這種運(yùn)動形式中，它能夠重新集合和活動起來。因此，阻礙已死的太陽重新轉(zhuǎn)化為熾熱星云的主要困難便消失了。”宇宙中散逸的輻射怎樣才可以重新集中起來呢？有能夠吸引輻射的機(jī)制嗎？哦，那是黑洞！黑洞具有極其強(qiáng)大的引力，引力場強(qiáng)到使其周圍的空間高度彎曲，以致光線也無法輻射出去。在黑洞的引力范圍內(nèi)，一

32、切物質(zhì)，包括輻射及其所攜帶的能量，都將被它吸積(accretion)進(jìn)去。即使是恒星所散逸岀去的輻射以及27K宇宙微波本底輻射或其他任何廢熱，都能夠被黑洞所吸積。這就會造成宇宙中某些區(qū)域高度的質(zhì)能集中。近年來的研究表明，這樣集結(jié)起來的能量有可能重新活動起來而釋放岀去。例如英國理論物理學(xué)家霍金(S.W.Hawking)把廣義相對論、熱力學(xué)和量子力學(xué)結(jié)合起來探討黑洞理論，提岀黑洞可以通過量子力學(xué)的“隧道效應(yīng)”發(fā)射粒子，從而進(jìn)行“蒸發(fā)”。到最后階段黑洞蒸發(fā)極快，因而最終將是一場猛烈的爆炸。也有人設(shè)想，由黑洞的爆炸可能產(chǎn)生

33、新的恒星和星系。也許，黑洞還可能有其他的釋能方式?？傊?，在黑洞中集結(jié)起來的能量不一定是束縛能，而是可能轉(zhuǎn)化和重新活動起來并釋放岀去的自由能。從外部供給黑洞的可以是高熵的質(zhì)能(例如宇宙中的彌散性輻射或“廢熱”)，而黑洞的吸積和質(zhì)能轉(zhuǎn)化卻可以把它們變成低熵的質(zhì)能。從某種意義上來看，黑洞本身是可能產(chǎn)生負(fù)熵的，它并不需要從外部獲得負(fù)熵流。名聞遐邇的科普作家阿西莫夫(I.Asimov)說：“在黑洞里，熱力學(xué)第二定律被顛倒過來了，因而盡管宇宙的大多數(shù)區(qū)域是在衰亡，但黑洞里卻在逐漸復(fù)興。”黑洞能導(dǎo)致宇宙的局部收縮，但還不足以與整

34、個(gè)宇宙的膨脹相抗衡。宇宙膨脹是由宇宙大爆炸開始的，宇宙大爆炸通常被看作是宇宙時(shí)間箭頭熵增的本原。因此，要最終解決熱寂論的問題，還必須找到宇宙收縮的機(jī)制。根據(jù)愛因斯坦的引力理論，宇宙將來是會發(fā)生收縮的。愛因斯坦引力理論對宇宙發(fā)展圖景的預(yù)言是，宇宙從大爆炸開始，膨脹至它的最大限度，然后收縮以至坍縮。這一預(yù)示后來被許多學(xué)者推廣了(RCTolman,A.Avez,R.P.Geroch,SWHawking，RPenrose)。有跡象表明中微子具有靜止質(zhì)量。宇宙大爆炸產(chǎn)生的中微子比其他物質(zhì)粒子的總數(shù)還要多十億倍，即使中微子只有一丁點(diǎn)兒質(zhì)量，整個(gè)宇宙中的中微子質(zhì)量總和就要大大超出所有其他物質(zhì)的質(zhì)量總和。據(jù)稱

35、根據(jù)測定的中微子靜止質(zhì)量計(jì)算，中微子的總質(zhì)量要占宇宙總質(zhì)量的百分之九十以上。因此，中微子有可能是控制我們宇宙膨脹和收縮的關(guān)鍵性因素。有人認(rèn)為，中微子對宇宙密度的貢獻(xiàn)有可能在將來導(dǎo)致宇宙收縮。這樣，宇宙熱寂論的最后陣地就被攻破了！七、負(fù)熵論一個(gè)未來的新學(xué)科信息論的負(fù)熵概念較熱力學(xué)的負(fù)熵概念含義要廣，而且具有普遍性意義，可以稱為廣義負(fù)熵。要實(shí)現(xiàn)普里高津提出的自然科學(xué)、生命科學(xué)和社會科學(xué)研究對象進(jìn)化發(fā)展規(guī)律的廣義大統(tǒng)一的目標(biāo)，進(jìn)化發(fā)展程度或有序度的表示方法是一個(gè)極為重要的問題。廣義負(fù)熵或信息量的概念提供了表示的一般性原則，并且將這種表示方法與許多不同學(xué)科中出現(xiàn)的形形色色的熵和負(fù)熵的概念聯(lián)系起來，使這

36、許多駁雜的概念之間的聯(lián)系和區(qū)別變得清晰。廣義負(fù)熵在許多不同但卻相互有關(guān)的學(xué)科中都有相應(yīng)的概念，這就便于人們對不同學(xué)科中提出的不同的熵和負(fù)熵的概念進(jìn)行比較，并因此而建立各門學(xué)科之間的準(zhǔn)確關(guān)系?？梢哉f，廣義負(fù)熵的概念滿足了當(dāng)代科學(xué)發(fā)展中提出的“大統(tǒng)一”這個(gè)普遍而深切的要求，從而成為聯(lián)系許許多多不同學(xué)科的紐帶。廣義負(fù)熵給許多不同學(xué)科提供了一個(gè)共同的、統(tǒng)一的詞匯，這就有助于為這些不同學(xué)科建立一套共同的語言，促進(jìn)它們的相互滲透和相互豐富，從而實(shí)現(xiàn)普里高津提出的廣義有序化（實(shí)際上就是廣義進(jìn)化）的大統(tǒng)一的目標(biāo)。這個(gè)大統(tǒng)一性質(zhì)的未來的新學(xué)科，我們是否可以稱之為&

37、#8220;負(fù)熵論”呢？我們不妨先給這個(gè)未來的新學(xué)科譯一個(gè)外文名：將negentropy（負(fù)熵）這個(gè)詞的詞尾-y改為表示學(xué)科的詞尾-ics,就成為negentropics（負(fù)熵論）了！負(fù)熵意味著進(jìn)化發(fā)展。因此，負(fù)熵論也就是廣義進(jìn)化論。1859年，達(dá)爾文（C.R.Darwin）的巨著物種起源問世，正式奠定了生物進(jìn)化論的基礎(chǔ)。達(dá)爾文的積極支持者和戰(zhàn)友赫胥黎（THHuxley）自稱達(dá)爾文的“斗犬”，不遺余力地宣傳進(jìn)化論，并在1884年出版了進(jìn)化論與倫理學(xué)（即天演論）一書，闡述了關(guān)于整個(gè)自然界進(jìn)化發(fā)展的廣義進(jìn)化思想。他把進(jìn)化觀點(diǎn)從生物界推廣到整個(gè)宇宙：“對世界的局部來說是這樣，對整體來說也是這樣，自然知識越來越導(dǎo)致這樣的結(jié)論：天上的列星和地上的萬物都是宇宙物質(zhì)的部分過渡形式，在沿著進(jìn)化的道路前進(jìn)”。“只要我們稱之為科學(xué)知識的那種對事物的性質(zhì)的有限揭露還在進(jìn)行，它就會越來越有力地使人相信，不僅植物界，而且動物界；不僅生物，而且地球的整個(gè)結(jié)構(gòu)；不僅我們的行星，而且整個(gè)太陽系；不僅我們的恒星及其行星，而且作為那種遍及于