虚拟世界系列19:“存在”的物理学解释

根据之前提过的缠中说禅之应用方法,如果把生物人和人类社会作为研究对象,研究生物人和人类社会的存在则是一切与之相关的理论的起点。而存在是离不开现实的。现实的关系决定了现实的逻辑,而生物人和人类社会的存在也必然受现实世界的的束缚。

本时空下的现实的一些普适的真理,比如生死,阴阳,虚实等,也必然适用于处于本时空下的研究对象生物人和人类社会。而以研究人和物之间关系的现代自然科学,是研究自然界物质形态、结构、性质和运动规律的科学,对人类思想文明的进步起着巨大的推动作用,被广为接受。而其中的熵增定律被爱因斯坦称为“第一定律”。缠师的原文里,并没有对现实世界的一些自然科学原理做过多解释。倒是在《资源消耗瓶颈,中国威胁论的新谎言》这篇文章里,提到了热力学第二定律和耗散结构等非平衡态开放系统。

在这种可笑的逻辑中,资源消耗瓶颈的存在当成一种不可改变的存在。却不知道,人类经济的发展就是在一个个资源瓶颈的突破后出现的。现在用的所谓自然资源,只不过是宇宙可利用资源的低劣形态。能量守恒,哪有什么资源耗尽的可能。唯一在所谓科学上值得探讨的说法就是所谓熵值增大,因为热力学第二定律,最终的能量变得不可利用。而耗散结构等非平衡态开放系统研究早就把这种无聊的宇宙热寂说打得体无完肤。

缠中说禅—《资源消耗瓶颈,中国威胁论的新谎言》2006-03-27

因此,这里对热力学第二定律(熵增定律)以及后续在此基础之上发展的耗散结构理论和自组织理论做些简单解释。

热力学第二定律(熵增定律)和熵

熵增定律,又称熵增加原理(熵增原理),是最早克劳修斯提出的热力学定律,其表达式为:可以得到对于一切在给定热源下的工作循环,系统流入的热量Q与环境温度T存在:

当且仅当工作循环为可逆循环时

熵(S)作为状态参量最早由克劳修斯于1854年首次引入,1865年他把这一状态参量命名为Entropie(德语)。考察一系列不可逆过程中熵的变化(如在绝热环境中理想气体的真空自由膨胀,在绝热环境中两物体间热传递等等)经过计算,可以得到,这些过程中系统的熵 ΔS > 0。克劳修斯证明了任何孤立系统中,系统的熵的总和永远不会减少,或者说自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的,这就是熵增加原理。通过熵增加原理,可以得到对于一个孤立系统,其内部自发进行的与热相关的过程必然向熵增的方向进行。而孤立系统不受外界任何影响,且系统最终处于平衡态,则在平衡态时,系统的熵取最大值。

最早的熵是一个热力学函数,后来又发展为系统混乱程度的度量。1872年,玻尔兹曼发表了《关于气体分子间热平衡的进一步研究》一文,文中首次提出了H定理,该定理是熵增定律的一种表示。1877年,玻尔兹曼表了《论一般力学定理与热力学第二定理的关係》一文,文中玻尔兹曼论证了系统宏观状态的熵与系统宏观状态所对应的微观状态数的正比关係,从而赋予了熵的统计力学解释,该解释后又赋予熵以系统混乱度的量度这一物理意义。普朗克在《论标准能量谱的能量分布定律的理论》(On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum)中首次给出

这一关系式,该公式后被称为玻尔兹曼公式。玻尔兹曼公式中的W(现常写作Ω)代表热力学系统的微观状态数。由玻尔兹曼公式可以看出,熵的大小取决于系统的某一热力学状态对应的微观态数目的量。熵的增加意味着系统从微观状态数少的宏观态过渡到了微观状态数多的宏观态,由此可以看作一个系统的混乱程度,是由这个系统微观的平均统计数来衡量,其微观状态分布越均匀,宏观就越混乱,即熵越大。

在玻尔兹曼后,熵概念在诸多领域被重新解读,最为重要的是吉布斯熵和香农熵:吉布斯(Josiah Willard Gibbs, 1839-1903)将熵与概率论相联系给出了吉布斯熵,香农(Claude Shannon, 1916-2001)将熵概念与信息论结合给出了香农熵。这里就不多展开了。

从熵增定律可以得出,一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。而在一个孤立系统里,如果没有外力做功,其总混乱度(即熵)会不断增大。对于一个有序的生命体而言,如果没有从外部获得负熵的话,当熵达到最大值时,系统会出现严重混乱,最后走向死亡。对于生物人而言,一样逃不过熵增原理,而为了维持生物人的存在(活着),则必须要从外部获得负熵。因此,薛定谔说,人活着就是在对抗熵增定律,生命以负熵为生。

耗散结构理论

熵增定律主要讨论的是孤立系统。为了打破熵增定律的束缚,则只有从孤立系统这个前提着手,因此,后续又发展出了耗散结构理论。其主要描述如下:

耗散结构理论:一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。

当把耗散结构理论运用于生物人和人类社会,则可以推出,为了维持人类社会的稳定的宏观有序结构,需要不断与外界交换物质或能量才能维持。换句话说,外界资源的局限性也同时限定了人类社会的宏观有序结构。而这和缠论三大定律之一的二元结构定律不谋而合。现实总是在环境与结构对抗中寻找最佳的结构,也就是说二元结构是人类欲望的无限性(贪嗔痴疑慢)和资源提供的有限性对抗中产生的。而如果人类社会如果需要继续发展升级,则需要突破获取外界资源的瓶颈。缠师也提到:“人类经济的发展就是在一个个资源瓶颈的突破后出现的”。而突破外界资源的瓶颈,本质上也就是提高获得外界负熵的能力(提高与外界交换物质或能量的能力),以打破资源的瓶颈。

自组织理论

除了熵增定律和耗散结构理论,后续又逐渐发展出自组织理论,来解释系统怎样从混沌无序的初态向稳定有序的终态的演化过程和规律。这也从另外一个角度解释了之前提到的递归角度的从个体到群体的演化规律。协同论涉及了系统内部的子系统之间的合作交流,而突变论则涉及了从个体到群体的演化中,“分别”的产生。具体就不多提了,大家有空自行研究。

自组织理论是关于在没有外部指令条件下,系统内部各子系统之间能自行按照某种规则形成一定的结构或功能的自组织现象的一种理论。该理论主要研究系统怎样从混沌无序的初态向稳定有序的终态的演化过程和规律。它主要有三个部分组成:耗散结构理论(Dissipative Structure)、协同论(Synergertios)、 突变论(Calastrophe Theory) 

  • 耗散结构理论:一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。
  • 协同论:主要研究系统内部各要素之间的协同机制,认为系统各要素之间的协同是自组织过程的基础,系统内各序参量之间的竞争和协同作用是系统产生新结构的直接根源。
  • 突变论:它建立在稳定性理论的基础上,认为突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程,表现在数学上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。

总结

根据熵增定律和耗散结构理论,一旦个体间通过自组织的方式经过突破产生了集合并不断演化,也就意味者该集合进入了时间上、空间上或功能上的有序状态,从而开始走势的生长。而走势一旦启动,也就意味着走势必然会经历生,住,坏,灭的过程。如果把群体/组织看做是一个新的高级别个体或者新的系统,这个系统的生,住,坏,灭,本质上也是从无序转变为有序最终又归于无序的过程。而这个高级别个体的走势成长过程,也必然包括两个方向,一个做为个体需要不断与外界交换物质或能量才能维持其个体有序状态,另外一个则是个体内部子系统的有序状态的维持,也需要各子系统之间、各层次之间的复杂联系和相互作用。而当外界资源的有限性限制了该系统的存在和发展,则该系统必然要提高获得负熵的能力,以突破外界资源的局限性。而以人类社会为例,则提高负熵的能力则可以有向外和向内两个发展方向:向内则是人类社会的发展(人-人,或者说人类社会的结构),向外则是科技的发展(人-物)。

注:文章封面配图来源于网络,若有侵权,请联系删除。

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