熵的哲學(xué)原理

摘 要 熵是一個(gè)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(shí)熵既有增也有減，負(fù)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(fù)熵是對(duì)立的但是二者又都服從于熱力學(xué)第二定律，熵與負(fù)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(diǎn)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(guò)熵變改變體系平衡及反應(yīng)方向的這一過(guò)程揭示了質(zhì)量互變規(guī)律；在熵增熵減矛盾的對(duì)立、通過(guò)漲落和突變的這一系列過(guò)程中存在著三個(gè)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(duì)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(duì)熵增否定的再否定，因此體系中熵的變化過(guò)程揭示了否定之否定規(guī)律。

關(guān)鍵詞 熵 對(duì)立統(tǒng)一 質(zhì)量互變

作者簡(jiǎn)介：袁一楠，長(zhǎng)沙理工大學(xué)馬克思主義學(xué)院2017級(jí)外國(guó)哲學(xué)專業(yè)研究生。

中圖分類號(hào)：B5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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)。科學(xué)界對(duì)熵的研究至今已有一百五十多年的歷史，近六十年來(lái)學(xué)者們對(duì)熵理論的研究創(chuàng)新更是突飛猛進(jìn)，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(jì)學(xué)、信息論、非線性動(dòng)力學(xué)等諸多領(lǐng)域，愛(ài)因斯坦甚至稱其為：“整個(gè)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(yùn)含的哲學(xué)思想等方面進(jìn)行探討。

一、熵及熵理論的發(fā)展

“熵”是德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯為了通過(guò)數(shù)學(xué)形式表達(dá)熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)而引入的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)。1850年，克勞修斯在遵循能量守恒原理以及對(duì)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(guò)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(diǎn)能夠通過(guò)數(shù)學(xué)方法得以證實(shí)，克勞修斯于1865年引入了狀態(tài)函數(shù)熵，符號(hào)S，由此得出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)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(guò)程可逆，則dS=0；若變化過(guò)程不可逆，則dD>0，總之熵永遠(yuǎn)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(duì)克勞修斯的熱力學(xué)熵理論進(jìn)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(dá)式：S=KlnW，這里的K為玻爾茲曼常數(shù)。“該式闡明了熵的微觀本質(zhì)，給予熵明確的統(tǒng)計(jì)意義：孤立系統(tǒng)的熵與其微觀狀態(tài)數(shù)的對(duì)數(shù)成比例，換言之熵是微觀狀態(tài)個(gè)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(wú)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(jìn)一步深化。

1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家申農(nóng)通過(guò)引入統(tǒng)計(jì)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(jì)力學(xué)熵相同的數(shù)學(xué)公式，稱之為信息熵。在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)中，熵可以看作是系統(tǒng)無(wú)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(jī)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(bǔ)的關(guān)系，信息即是負(fù)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(fù)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(shí)熵既有增也有減，負(fù)熵即是熵的減少。馬克思主義哲學(xué)認(rèn)為：“一切矛盾都是由對(duì)立著的兩個(gè)方面構(gòu)成，矛盾關(guān)系就是發(fā)生在對(duì)立面之間的關(guān)系，沒(méi)有對(duì)立的兩個(gè)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(fù)熵是對(duì)立的。英國(guó)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(gè)局部熵減的系統(tǒng)，但仍然不能推翻熱力學(xué)第二定律，因?yàn)榫植快氐臏p小要以周圍環(huán)境熵的增加為代價(jià)。1969年比利時(shí)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(guó)際會(huì)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(huì)不斷有序化發(fā)展這一“熵減”過(guò)程，認(rèn)為生命體以及人類社會(huì)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(jià)。因此就生命系統(tǒng)包括人類社會(huì)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(wú)序化進(jìn)行的，仍然服從于熱力學(xué)第二定律。由此可見(jiàn)，盡管熵和負(fù)熵的對(duì)立顯而易見(jiàn)，但熵和負(fù)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(duì)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(shí)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(gè)開(kāi)放系統(tǒng)中，而整個(gè)系統(tǒng)最終是熵增還是熵減則取決于二者的相對(duì)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(duì)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(guó)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(guò)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(dá)式為 G= H-T S（KJ/mol），“從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，正是能與熵二者的競(jìng)爭(zhēng)決定了系統(tǒng)所處的狀態(tài)，自由能的公式更是直接表達(dá)了這樣的事實(shí)，平衡乃是能與熵之間競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，溫度T決定著這兩個(gè)因素之相對(duì)權(quán)重。” 因此在恒溫、恒壓時(shí)，吉布斯自由能的大小完全由焓變和熵變決定：當(dāng) G<0時(shí)，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行；當(dāng) G=0時(shí)，體系處于平衡； G>0時(shí)逆反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，對(duì)于一個(gè)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(huì)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(rèn)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(guò)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(diǎn)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(guò)熵變改變體系平衡及反應(yīng)方向的這一過(guò)程中就蘊(yùn)含著質(zhì)量互變這一哲學(xué)規(guī)律。

（三）體系中熵的變化過(guò)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(guò)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(jìn)化和無(wú)序的退化。在熵概念尚未提出之前，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文首先提出了“熱寂”思想。后來(lái)克勞修斯于1867年正式提出“熱寂說(shuō)”理論。“熱寂說(shuō)”認(rèn)為：宇宙的熵永遠(yuǎn)增大，隨著時(shí)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(huì)發(fā)生，宇宙就會(huì)逐漸進(jìn)入一個(gè)永恒的死寂狀態(tài)。因此“熱寂說(shuō)”對(duì)達(dá)爾文的“進(jìn)化論”進(jìn)行了否定，認(rèn)為生命體的產(chǎn)生以及一切進(jìn)化都是“表面現(xiàn)象”，其本質(zhì)仍然是退化的、無(wú)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(duì)克勞修斯的“熱寂說(shuō)”理論進(jìn)行批判，但哲學(xué)思辨終歸不能代替自然科學(xué)，對(duì)“熱寂說(shuō)”理論合理與否的探索仍然是科學(xué)工作者們長(zhǎng)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(shū)，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(fù)熵”的“負(fù)熵說(shuō)”。1969年比利時(shí)物理化學(xué)家普利高津在薛定諤“負(fù)熵說(shuō)”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(jìn)化時(shí)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(jìn)化論”進(jìn)行了統(tǒng)一。該理論認(rèn)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(yuǎn)離平衡態(tài)非線性的開(kāi)放系統(tǒng)。一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)非線性的開(kāi)放系統(tǒng)通過(guò)與外界進(jìn)行能量和物質(zhì)的交換，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定臨界值時(shí)，通過(guò)漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變，從無(wú)序狀態(tài)發(fā)展成有序結(jié)構(gòu)。在這個(gè)看似“逆”熱力學(xué)第二定律的過(guò)程中，系統(tǒng)從無(wú)序到有序的熵減過(guò)程實(shí)際上是對(duì)熵增的否定，即普遍肯定的熵增理論的自我否定，這說(shuō)明在生命系統(tǒng)產(chǎn)生和進(jìn)化過(guò)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(gè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)就出現(xiàn)了由無(wú)序到有序的自發(fā)傾向，進(jìn)而產(chǎn)生了生命體，并使其不斷的進(jìn)化。馬克思主義哲學(xué)認(rèn)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(guò)這種遠(yuǎn)離平衡態(tài)非線性的開(kāi)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(fù)熵通過(guò)降低自身的總熵來(lái)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(duì)于其他子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常龐大，漲落的概率相對(duì)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(zhēng)中熵增最終將占據(jù)主導(dǎo)地位，這是對(duì)熵減的否定，也是對(duì)普遍肯定的熵增理論的否定之否定，因此在這個(gè)過(guò)程中存在著三個(gè)環(huán)節(jié)，兩度否定：熵增熵減矛盾的對(duì)立、通過(guò)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(duì)熵增的否定和對(duì)熵增否定的再否定。正如恩格斯所說(shuō)：“事物發(fā)展的過(guò)程按本性說(shuō)是對(duì)抗的、包含著矛盾的過(guò)程，一個(gè)極端向他的反面的轉(zhuǎn)化，最后，作為整個(gè)過(guò)程的核心的否定的否定。” 由此可見(jiàn)生命體從產(chǎn)生進(jìn)化到最終消亡是一個(gè)熵增過(guò)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(guò)程。

注釋：

苑娟、萬(wàn)焱、褚意新.熵理論及其應(yīng)用.中國(guó)西部技.2011，10（5）.42-44.

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