熵的概念和内容的演变(上)
自从鲁道夫·克劳修斯提出“熵”概念后,150年来繁衍出了一个“熵”丁兴旺的“熵族”。熵究竟是什么,至今仍争论不休,整个熵理论的发展史也可以说是一部关于熵理论的争论史。周鲁在本次授课中,就向广大研习者详细地介绍了“熵”的前世今生。
“熵”最早由克劳修斯提出,他首次对热力学第二定律进行了表述,即不可能把热从低温物体传到高温物体而不留下任何其他的变化。热力学第二定律指出,如果宇宙是一个孤立系统,则宇宙的熵将不断自动增加。
随后,路德维希·玻尔兹曼建立了微观的分子运动与宏观的热力学演化的联系,他给出了熵和熵增原理的概率统计的解释,对熵理论作出了贡献。作为科学原子论捍卫者和概率因果论的奠基人,玻尔兹曼的思想远远超越了他的时代,玻尔兹曼也因此成为了科学的殉道者。生命以负熵为生,那生命怎么样才能避免衰退和死亡的呢?薛定谔认为唯一的办法是在环境中不断地吸取负熵,而负熵是系统中原子有序状态的度量。但周鲁认为序其实是一种直觉,由于气体中的分子是无序的,因此熵就大;而晶体中的原子是有序的,因此熵就小,这个观点其实是站不住脚的。玻尔兹曼熵是一个基于概率的物理量,与分子运动是否有序无关。
周鲁指出,物质、能量、信息是构成世界的三个基本要素。几千年前人们就知道用两、克等单位来计量物质的多少。直到19世纪的中叶,随着热功当量,能量守恒定律的建立,人们才清楚可以用卡、焦等单位来计量能量的多少。在人类社会中,以语言、文字、符号、图像、图形、声音这些形式出现的信息已有几千年了。但对于如何计量信息的多少,直到1948年美国工程师申农(香浓)提出了“比特”,才标志着人类学会计量信息。申农把熵的概念引入信息论,从而对该计量方法产生影响。后来普利高津总结归纳出系统中形成耗散结构需要下列条件:远离平衡、对外开发、多态共存、涨落触发,这就是普利高津熵理论。按照传统自然科学的标准来看,耗散结构理论有点像软科学,但这一理论促进了自然科学与人文科学的交流,因此普利高津获得了1977年的诺贝尔奖。
围绕熵理论的发展史,出现了一个深刻的哲学问题,就是这个世界到底是确定性的还是随机的。周鲁认为这个问题决定了我们看待世界的方式,甚至决定了我们的命运。关于这个科学问题和哲学问题的讨论,至今仍在继续。但是熵作为一个富有生命力和影响力的概念,其应用已经远远超出了热力学的范围,进入自然科学、工程技术、社会科学、人文科学的不同领域,熵理论也是认识自然和社会的思维方法和研究工具。
最后,周鲁呼吁大家心怀梦想,追求真理。
(视频拍摄于2012年)
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