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第28章 热力学第二定律与熵(3)

为了说明这一个开放体系有可能使自己的熵不是增加,而是减少,我们就来对地球进行考察。地球接受了太阳的能量,使靠近地面的区域成为较热的区域,地面的上空则随大气层高度的增加渐渐冷下去,于是在地面上造成了一个有序的生态环境。大气层接受太阳能,又把它几乎全部放回去,并使地球上保持一定的温差区域,为生物的生存、繁衍提供了良好的环境和条件。地球是一个低熵体系,且输出熵。再看看整个大宇宙,它并非接近平衡态,相反有各色各样的结构。星系不断形成偏离平衡的开放模式,在大范围内看不到任何趋向平衡的迹象,这里面引力起了重要作用,它好象是前面游戏中的“死亡”、“再生”法则,能产生从无序走向有序的演化。

五、熵与社会、经济和管理

能量和熵是物理学中最重要最基本的两个概念,能量概念早已被人们广泛地接受,成为人类社会生活中不可缺少的用语,熵是一个人们还不太熟悉的概念,然而它已渗透到社会的各个方面,蕴含了极其丰富的内容。从这两个概念的建立到本世纪初,人们一直认为能的概念比熵的概念更重要,传统的看法是把能量比喻为宇宙的女主人,熵是她的影子,意思是能量主宰了宇宙中的一切,因为任何过程能量必须守恒,而熵不过是能量的附庸,是在能量守恒的前提下进一步指示过程进行的方向罢了。

随着时代的发展,熵概念的重要性越来越突出了,人们把它与无效能量、混乱、废物、污染、生态环境破坏、物质资源浪费甚至于政治腐败、社会腐败联系起来,把负熵与有序、结构、信息、生命甚至廉政、精神文明联系起来,于是就有了另一种比喻:“在自然过程的庞大工厂里,熵原理起着经理的作用,因为它规定整个企业的经营方式和方法,而能量仅仅充当簿记,平衡贷方和借方。”也就是说能量仅仅表达了宇宙中的一种守恒关系,而熵决定了宇宙向何处去。

在迈向新世纪的今天,谋求可持续发展已成为全球性的主题,这就要将发展纳入理性轨道,这是人类在尝到发展带来的喜悦和烦恼,又经历了深刻的反思后,所作出的一种新的、理性的抉择,它集纳了影响人类思维、社会发展的许多科学思想和科学方法,在这中间我们更不能忽视“熵”的作用。

在茫茫宇宙之中,只有一个地球,我们面临的严峻现实是资源在不断地减少,环境在日益恶化,人口在剧烈地暴涨,熵增加原理悄悄地起着作用并实际上主宰着我们这个地球。过去人们一度认为根据热力学第一定律,可以通过能量转化获得永世不竭的物质和能源以供享用,然而热力学第二定律打破了这种幻想,因为物质和能量只可作单方向的转化。尽管我们可以在局部范围内变废为宝,化无用为有用,但这种转化却是以整个系统熵的增加为代价的,熵概念和熵增加原理为社会发展、经济增长奠定了理论基础。

过去人们在统计一个国家财富时,一直采用国民生产总值(GNP)的指标,认为GNP越高,国家越富裕,人民生活水平就越高,然而却没有考虑在开采矿石、生产粮食、加工食品的过程中,耗费了别的物质和能量,只有部分能量被吸收进了产品,还有不少被浪费了,能量损失越多,熵增加越多。例如,在从粮食的生长到加工食品的过程中,只有不到20%的能量被摄入粮食和食品中,而80%都浪费了,人们总是优先考虑了价值的增加,产值的增长却忽略了熵的增加。

随着可持续发展思想的提出,人们现在用净国民生产总值(NNP)来衡量一个国家的经济水平,也就是将环境退化、资源浪费及其他负面效应造成的经济损失从国民生产总值中扣除,于是一些注意经济、社会和自然协调发展的国家成为NNP高的国家。

经济系统是一个复杂的物质系统,经济系统中存在着物质流、能流、货币流及熵流。经济系统是一个开放系统,它不断与自然界进行物质、能量、熵的交换,在物质交换中输入物料资源,排出废物和输出产品。在能量交换中,输入可利用能,排出废热。而物流、能流总是伴随着熵流和熵的产生。经济过程以得到低熵产品和能量为目标,但它总是以同时产生高熵的废物和废热为代价的。经济过程包括三个子过程:生产过程、流通过程和消费过程,每个过程都是熵增加的过程。在生产过程中,输入高熵的原料和低熵的能源,后者一方面用作机器设备的动力,另一方面也用来吸收原料中的熵和生产过程中产生的熵,生产过程中输出的是低熵的产品和向环境排放高熵的废物和废热。另外,生产过程中的不可逆因素(如机器的磨损、原料的流失等)也会产生熵。生产过程熵的关系式为S产品+S废物废热>;S能源+S原料。生产过程除了输入原料、能源以外,还要利用技术和知识来合理而科学地安排生产,以减少能耗和废品,即减少熵的产生。因此,技术和知识起着负熵的作用,所以在现代化生产中对工人的培训是十分重要的。

在流通过程中,需要各种运输工具和机械,运输过程中人来车往、扬尘土、排废气、嘈杂扰人都是熵增过程。

消费过程也是彻头彻尾的熵增过程,如食物消费,经消化吸收变成排泄物;各种生活消费品用坏了、旧了,变成垃圾等等,都引起熵的增加。要满足消费就要发展生产、发展经济,但是经济腾飞,熵也腾飞。当前人类社会处于经济增长快、熵也增加快的工业社会,经济学家们正在从熵增加原理中寻找出路,采取适当的措施,如节约资源、能源,珍惜产品和设备,避免产品过剩就要控制适当的经济增长速度,发展教育事业提高全民的知识、技术素养等等,来抑制熵的增加。

城市的可持续发展也同样应引入熵的观念,城市是一个相对独立的生态系统,其物质一能量流动、转换的频率和速度都十分迅速,一切都来去匆匆,然而其空间范围又比较局限,因此在城市系统中熵的增加十分明显。

在现代化大城市中,人们越来越多地依赖于现代技术的应用,空调、汽车、手机……它们给人们带来方便,同时也给周围环境带来更多的废气、噪声、电磁波等污染。现代化程度越高,能量耗散越多,熵就越多。少数人所享受的便利和舒适,往往是在多数人做出牺牲的前提下获得的:空调给周围邻居带来了热污染,高层建筑的玻璃幕墙给周围带来了光污染,日益增多的小轿车造成交通堵塞和尾气污染。当我们竭力把一切活动技术化、秩序化,其结果却加快了熵的增加过程,而随着熵增要维持和创造新的秩序所花费的代价就会更高,这正是大城市所面临的一个难题。

在旧城改造中,拆除旧房、砍伐树木,建造巍峨的高楼大厦,使城市增添宏伟的现代气息,其结果却是营造了一座现代化城市沙漠,到处是水泥的“森林”、钢筋的“山峰”,没有绿色,没有湿地,以致造成春季缺少花草和百鸟,夏季“热岛效应”逼人,秋季“雾岛效应”显著,冬季日照减少,人们的生活环境却没有现代化。因此,城市发展过程中必须重视“低熵值”的城市发展模式,展望21世纪,大城市将不再以高楼林立,高架纵横作为自己的形象标志,它应当更注重于城郊结合、生态建设,尽可能保持与大自然的协调和谐,乡村化的城市将是21世纪现代城市的形象,回归自然,从高熵型城市向低熵型城市发展。

值得一提的是,通过管理使系统有序化是实现低熵的重要手段。在形成管理系统之初,应当把看得见、预料得到的只有熵增而没有“有序”产出的种种因素排除在系统之外,也要尽可能排除虽有“有序”产出,但同时也有高熵产生的种种不利因素;并注意使系统整体处于高的能态,使管理者与被管理者之间保持较大的能态差,这些都是以低熵换得有序产出的保证。管理系统通常包括人、财、物,其中人的不确定度(混乱度)最大,因此,为实现系统的低熵状态,对人的管理最为重要。

综上所述,要实施持续发展,必须从高熵社会走向低熵社会,熵与熵增加原理早已超越了物理学的范畴,证明自然科学理论对于科学界以外的人们也会有重要的思想、观念和方法上的启示。有一位著名的作家说过,不了解热力学第二定律(或者说不了解熵和熵增加原理)与不懂得莎士比亚同样糟糕。

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