熱力學(xué)第二定律與馬太效應(yīng)

老莊走狗 2014-07-12

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熱力學(xué)第二定律有多種表述，這些表述都是等價的。其中一種表述就是熵增原理:在封閉體系(與外界無能量以及物質(zhì)交換)中，自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)都是朝著熵增的方向進(jìn)行。熵是何物?一般不是特別嚴(yán)格的說法指的就是混亂度，如果再通俗一點，可以說是平均化，比如兩根溫度不同的金屬棒靠在一起，最后的結(jié)果是它們最終溫度相同;壓縮在封閉容器里一頭的空氣，當(dāng)把中間的隔板抽走后，很快空氣分子就均勻的充滿整個空間。相反的過程如果不施加外界作用一般是不能發(fā)生的，誰也沒見到容器里的分子都自動的聚集在容器的一端。如此看來熵的概念似乎有些神奇，其實熵增原理只不過是一個統(tǒng)計結(jié)果而已。比如兩個分子分布在封閉容器里，容器假設(shè)分成相同體積的兩部分:A部分，B部分，并假設(shè)分子是可以區(qū)分的，如分子a，分子b，那么分子分布在容器里共有四種狀態(tài):a，b均在A部分;a，b均在B部分;a在A部分，b在B部分;a在B部分，b在A部分;同時分布在一端的概率也是2/4。當(dāng)分子數(shù)變成四個時，設(shè)分子為a、b、c、d。那么分子分布在容器里共有16種狀態(tài)，而同時分布在一端的概率只有2/16，當(dāng)分子數(shù)開始用摩爾來計算時，那么這種概率就只有幾億億分之一，這在事實上也就是不可能。波爾茲曼給出了熵與微觀狀態(tài)數(shù)的定量關(guān)系:S=klnW，這里k是波爾茲曼常數(shù)，W是微觀狀態(tài)數(shù)，S是熵值。從上面還可以看出，熵增原理屬于統(tǒng)計規(guī)律，對于包含樣本數(shù)量很少的系統(tǒng)是不合適的。

馬太效應(yīng)指的是強(qiáng)者愈強(qiáng)，弱者愈弱。在社會中，一個明顯的事實是富者愈富，直至富可敵國;窮者愈窮，直至缺衣少食。對于一個自發(fā)的社會來說，如果把熵增原理用到社會財富的分配上，你會發(fā)覺這兩者是矛盾的。熵增原理告訴我們財富應(yīng)該趨向平均化，貧富差距會越來越小;而馬太效應(yīng)卻顯示貧富的差距會不斷加大，實踐顯示馬太效應(yīng)反應(yīng)的是真實的社會狀況。那么到底是哪出了問題呢?

你可以說社會中樣本數(shù)太少，熵增原理不適用，但是我們知道世界上貧富差距的例子比比皆是，這個樣本委實也不能算少;你還可以說自然科學(xué)規(guī)律不能用于社會問題的分析。我們知道社會是建立在自然界上，意識來自物質(zhì)，所以一般說來自然規(guī)律的結(jié)論可能對社會實踐并無參考價值，但是最起碼的一點是它至少是不能違背社會實踐。那問題重新又回來了，問題到底在哪?

我們也許可以從生物界得到借鑒。熱力學(xué)第二定律說明的是一個孤立系統(tǒng)朝著均勻.無序.簡單，趨向平衡態(tài)的方向演化。這實際上是一種退化的方向。克勞修斯把這一理論推廣到全宇宙，就得出了“宇宙熱寂說”的悲觀結(jié)論。而生物學(xué)描述的卻是系統(tǒng)從無序到有序，由簡單到復(fù)雜，由低級到高級，由無功能到有功能.多功能的有組織的方向發(fā)展，這是一個進(jìn)化的方向。在生物界和人類社會中這種進(jìn)化的現(xiàn)象最為明顯。于是產(chǎn)生了一個克勞修斯和達(dá)爾文的矛盾，退化和進(jìn)化的矛盾，似乎生物界包括人類社會遵循著與物理世界完全不同的規(guī)律，有著迥然不同的演化方向。

熱力學(xué)和生物學(xué)之間的這一矛盾，引起了許多科學(xué)家的廣泛注意。當(dāng)代著名物理學(xué)家威格納(Wigner)曾經(jīng)說:“近代科學(xué)中最重要的間隙的什么?顯然是物理科學(xué)和精神科學(xué)的分離。”柯伊萊(A.Koyre) 則指出，牛頓用他的經(jīng)典力學(xué)“把分隔天體和地球之間的壁壘推倒，并且把兩者結(jié)合起來，統(tǒng)一成為一個整體的宇宙。”但是他卻把“我們的世界一分為二”，即分成一個物理世界.量的世界;一個生物的世界.質(zhì)的世界，于是形成了兩個世界、兩種科學(xué)、兩類文化，兩者之間存在著巨大的鴻溝。

普利高津(對化學(xué)理論有興趣的可以對這個人特別關(guān)注一下，非常偉大的一位科學(xué)家)特別對化學(xué)中的貝洛索夫-札布金斯基(Belousov-habotinski) 反應(yīng)作了深入的分析。丙二酸在催化劑鈰的作用下被溴酸氧化。當(dāng)外加物在一定濃度范圍內(nèi)，即離平衡條件較近時，在均勻邊界條件下，生成物均勻混合地分布在整個容器內(nèi)，呈現(xiàn)出對稱性最強(qiáng)的無序狀態(tài)。適當(dāng)控制某些反應(yīng)物或反應(yīng)物濃度，使反應(yīng)條件遠(yuǎn)離平衡，就能出現(xiàn)各種不同的宏觀協(xié)作現(xiàn)象。在一定條件下會出現(xiàn)濃度隨時間周期性改變的化學(xué)振蕩，周期為30秒可持續(xù)50分鐘。在另一些條件下，濃度會呈現(xiàn)空間不均勻分布，形成一種空間結(jié)構(gòu)，或者兩者兼而有之，呈現(xiàn)空-時結(jié)構(gòu)，即化學(xué)波。其他一些化學(xué)振蕩反應(yīng)也有類似的特性。

生物是一種遠(yuǎn)離平衡的高度有序的結(jié)構(gòu)，要不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換即新陳代謝才能維持生命。即使是一個單細(xì)胞生物，其代謝功能也包括幾千個耦合的化學(xué)反應(yīng)，其中每一步反應(yīng)被一種特殊的酶所催化，具有非常巧妙的配位和調(diào)節(jié)機(jī)制。

從上面一些現(xiàn)象中，普利高津發(fā)現(xiàn)在力學(xué).物理學(xué)、化學(xué)和生物化學(xué)的不可逆現(xiàn)象中，確實也存在著與生物進(jìn)化類似的第二類的演化方式，存在著從簡單到復(fù)雜，從無序到有序，從對稱到對稱破缺的進(jìn)化。普利高津指出這種有序狀態(tài)需要不斷地與外界交換物質(zhì)和能量才能維持，并保持一定的穩(wěn)定性，且不因外界微小的擾動而消失。這種遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀的有序結(jié)構(gòu)，普利高津稱之為耗散結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)這種能夠自行產(chǎn)生的組織性和相干性，稱為自組織現(xiàn)象。

如果再把原理用到生活中來，那么當(dāng)人們服侍年邁的老人時，應(yīng)盡量保證老人每天都要攝取食物，并且排泄要正常，這樣一般就不會出現(xiàn)大的問題，否則老人可能會有生命危險。

在社會中同樣是這樣的情況，一個企業(yè)不斷的從社會中耗費能量和高度有序的物質(zhì)，并不斷的排除高熵物質(zhì)，從而使自己不斷進(jìn)步，并大量積聚財富。耗費能量就是消耗社會中的各種能源，而吸收高度有序的物質(zhì)就是從外界不斷的輸入原材料以及各種人才。排除高熵物質(zhì)就是指持續(xù)的往外界排放各種廢物以及辭退員工。當(dāng)然不同類型的企業(yè)在這兩方面的偏重可能不太相同。第一產(chǎn)業(yè)--農(nóng)業(yè)側(cè)重于獲取太陽能從而生產(chǎn)出高度有序的產(chǎn)品--糧食，這種方式對于人類來說是最環(huán)保的方式。第二產(chǎn)業(yè)--工業(yè)更偏向于原材料的輸入和大量廢物的排除，這種方式占用的社會物質(zhì)資源很多，而且社會成本也很大，同時對環(huán)境的傷害具有很大的不可逆性。第三產(chǎn)業(yè)--服務(wù)業(yè)更依賴于高科技人才的流入以及不斷的把不適合社會的人員推向社會，這種方式占用大量的社會人力資源，考慮到人才培養(yǎng)同樣是一個消耗資源極大的過程，所以服務(wù)業(yè)的社會成本相對第一產(chǎn)業(yè)也比較高。

本著公平的原則，那應(yīng)該是誰占用的社會資源多，誰回饋社會的財富就應(yīng)該越大。一個正常運作的社會是從來不需要也不應(yīng)該劫富濟(jì)貧的。第二和第三產(chǎn)業(yè)耗費的社會資源最大，理應(yīng)上繳的賦稅更多。在稅收分配過程中，應(yīng)該更多的回饋到第一產(chǎn)業(yè)。在未來的世界里，如果不考慮軍事的因素，最先進(jìn)的國家將不是工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，當(dāng)然有可能是服務(wù)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，因為它可以通過耗費它國的人力資源來促使自己的富強(qiáng);而真正最可能的將是農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，當(dāng)然前提是農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力還需得到極大的提高，相信通過生物過程的進(jìn)步，我們有理由期望這一天的到來。

寫下這些文字，主要是近來到西部某省的一個農(nóng)村里，看到那里的人們真是太貧窮了。在京城的隨便一條街上，看見各種高檔小轎車川流不息，總覺得仿佛是處于兩個世界，所以這些僅是有感而發(fā)而已。