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负熵论"的起源及其未来发展(节选)
[ 2014-6-18 23:26:00 | By: a11111 ]
 

 

王素红,王荣

解放军信息工程大学理学院数理系,郑州,

 

摘要:本文详实介绍了负熵论产生的过程,并对负熵论的未来发展进行了分析研究.

关键词:负熵,信息,能量.

 

Summary: this informative article describes the process of negative entropy and negative entropy analysis on the future development of research.

Keywords: negative entropy, information and energy.

By mechanical translation

 

宇宙热寂论、麦克斯韦妖与负熵

 

11宇宙热寂论:

热力学发展的初期,克劳修斯和汤姆逊等人,把热力学第二定律滥用于整个宇宙,得出荒谬的“宇宙热寂论”,认为整个宇宙都发生着熵增加,最后整个宇宙将会达到热平衡,熵值达到最大,温度差消失,压力变为均匀,所有的能量都成为不可再进行传递和转化的束缚能,整个宇宙都陷入停止变化、停止发展的状态。在19世纪,能够认识到热寂论谬误的科学家寥寥无几。在文献中留下记录的,只有玻耳兹曼和麦克斯韦两人。早在1866年,离克劳修斯提出“宇宙的熵趋向极大值”的论点不过一年时间,甚至当克劳修斯还来不及进一步发挥成宇宙热寂论时,玻耳兹曼就注意到生物的生长过程与熵增加相拮抗的事实。他说:“生物为了生存而作的一般斗争,既不是为了物质,也不是为了能量,而是为了熵而斗争。这种斗争在能量从热的太阳到冷的地球的转移过程中很有价值。为了尽可能利用这种转移,植物铺开了它的面积大得不可计量的叶片,以一种尚未探明的方式,迫使太阳去完成我们在实验室中不知道如何完成的化学合成。”1895年,玻耳兹曼还曾进一步提出“微观起伏”说来反驳热寂论。

 

12麦克斯韦妖:

 

麦克斯韦也模模糊糊、隐隐约约地意识到,自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他当时无法清晰地说明这种机制。他只能假定一种“类人妖”,能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。这就是1871年出现的有名的“麦克斯韦

妖”(MaxWells demon)的概念。由于麦克斯韦妖只是一种猜想,当然不可能解决宇宙热寂论的问题。玻尔兹曼所说的绿色植物进行光合作用与熵增加相拮抗,则要求从阳光输入更多的负熵,也就是说。是以太阳的更大的熵增加为代价的。至于微观起伏,也远远不足以与宇宙中极其巨大的熵增加过程(例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨胀)相抗衡。于是,宇宙热寂论成了19世纪的自然科学留给20世纪的一大疑难问题。1914年,斯莫鲁霍夫斯基第一次揭示了“麦克斯韦妖”的荒谬性。他提出“妖”的新陈代谢问题。他指出,干预系统的“妖”要看作系统的一部分,不然就不是孤立系统。当时斯莫鲁霍夫斯基的想法太粗略,以至没有能够说服物理学家们。齐拉德在斯莫鲁霍夫斯基工作的影响下,对麦克斯韦妖作用的原理进行了较为深入的分析。1929年,德国<物理学期刊》上发表了齐拉德的一篇论文“精灵的干预使热力学系统的熵减少”。首先,齐拉德提出熵减一定以系统的某种物理量作为补偿,这一物理量的补偿实际上就是增加信息。齐拉德的工作是现代信息论的先导,他还提出了一个计算信息量的公式:,=一七(ln+ln)式中矿是热力学几率。齐拉德还首次提出了“负熵”这个经典热力学中从未出现过的概念和术语。齐拉德这篇开创性的论文当时也没有被人们充分理解。更令人遗憾的是,他本人也没有沿着这条道路继续探索下去。

 

13负熵

 

1944年,著名的物理学家、量子力学的奠基人之一、诺贝尔奖获得者薛定锷出版‘生命是什么?》一书,更加明确地论述了负熵的概念,并且把它应用到生物学问题中,提出了“生物赖负熵为生”的名言。薛定锷说:“要摆脱死亡,就是说要活着,唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵。我们马上就会明白,负熵是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者更确切地说,新陈代谢中的本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。"负熵的概念最初是不容易被人们接受的。薛定锷本人也明白地写道:“关于负熵的说法,遭到过物理界同事们的怀疑和反对。我首先要说的是,如果我只是想迎合他们的心意的话,那我就该用自由能来代替这个问题的讨论了”。薛定锷一开始就意识到负熵与自由能的联系,说明他的目光敏锐,思想深刻。如果有一种机构,它是一个开放系统,能够不断地从外界获得并积累自由能,它就产生负熵了。生物体就是这种机构,动物从食物中获得自由能(或负熵),而绿色植物则从阳光中获得它们,这真是“生物赖负熵为生”。

2:负熵与宇宙论

怎样才能把宇宙中散逸的辐射重新集中起来?科学家通过研究发现:黑洞具有极其强大的引力,引力场强到使其周围的空间高度弯曲,以致光线也无法辐射出去。在黑洞的引力范围内,一切物质,包括辐射及其所携带的能量,都将被它吸积(accretion)进去。即使是恒星所散逸出去的辐射以及27K宇宙微波本底辐射或其他任何废热,都能够被黑洞所吸积。这就会造成宇宙中某些区域高度的质能集中。近年来的研究表明,这样集结起来的能量有可能重新活动起来而释放出去。例如英国理论物理学家霍金(SwHaWking)把广义相对论、热力学和量子力学结合起来探讨黑洞理论,提出黑洞可以通过量子力学的“隧道效应”发射粒子,从而进行“蒸发”。到最后阶段黑洞蒸发极快,因而最终将是一场猛烈的爆炸。也有人设想,由黑洞的爆炸可能产生新的恒星和星系。总之,在黑洞中集结起来的能量不一定是束缚能,而是可能转化和重新活动起来并释放出去的自由能。从外部供给黑洞的可以是高熵的质能(例如宇宙中的弥散性辐射或“废热”),而黑洞的吸积和质能转化却可以把它们变成低熵的质能。从某种意义上来,黑洞本身是可能产生负熵的,它并不需要从外部获得负熵流。名闻遐迩的科普作家阿西莫夫说:“在黑洞里,热力学第二定律被颠倒过来了,因而尽管宇宙的大多数区域在衰亡,但黑洞里却在逐渐复兴。”黑洞能导致宇宙的局部收缩,但还不足以与整个宇宙的膨胀相抗衡。宇宙膨胀是由宇宙大爆炸开始的,宇宙火爆炸通常被看作是宇宙时间箭头——熵增的本原。因此,要最终解决热寂论的问题,还必须找剑宇宙收缩的机制。根据爱因斯坦的引力理论,宇宙将来是会发生收缩的。爱因斯坦引力理论对宇宙

发展图景的预言是,宇宙从大爆炸开始,膨胀至它的最大限度,然后收缩以至坍缩。宇宙大爆炸产生的中微子比其他物质粒子的总数还要多十亿倍,即使中微子只有一丁点儿质量,整个宇宙中的中微子质量总和就要大大超出所有其他物质的质量总和。据称根据测定的中微子静止质量计算,中微子的总质量要占宇宙总质量的百分之九十以上。因此,中微子有可能是控制我们宇宙膨胀和收缩的关键性因素。有人认为,中微子对宇宙密度的贡献有可能在将来

导致宇宙收缩。这样,宇宙热寂论的最后阵地就被攻破了。

3:负熵论的未来发展

信息论的负熵概念较热力学的负熵概念含义要广,而且具有普遍性意义,可以称为广义负熵。要实现普里高津提出的自然科学、生命科学和社会科学研究对象进化发展规律的广义大统一的目标,进化发展程度或有序度的表示方法是一个极为重要的问题。广义负熵或信息量的概念提供了表示的一般性原则,并且将这种表示方法与许多不同学科中出现的形形色色的熵和负熵的概念联系起来,使这许多驳杂的概念之间的联系和区别变得清晰。广义负熵在许多不同但却相互有关的学科中都有相应的概念,这就便于人们对不同学科中提出的不同的熵和负熵的概念进行比较,并因此而建立各门学科之间的准确关系。可以说,广义负熵的概念满足了当代科学发展中提出的“大统一”这个普遍而深切的要求,从而成为联系许许多多不同学科的纽带。广义负熵给许多不同学科提供了一个共同的、统一的词汇,这就有助于为这些不同学科建立一套共同的语言,促进它们的相互渗透和相互丰富,从而实现普里高津提出的广义有序化(实际上就是广义进化)的大统一的目标。这个大统一性质的未来的新学科,我们是否可以称之为“负论”呢?我们不妨先给这个未来的新学科译一个外文名:将negentropy(负熵)这个词的词尾一y改为表示学科的词尾一ics,就成为negentropics(负熵论)!负熵意味着进化发展。因此,负熵论也就是广义进化论。1859年,达尔文(CRDarin)的巨著《物种起源》问世,正式奠定了生物进化论的基础。达尔文的积极

支持者和战友赫胥黎自称达尔文的“斗犬”,不遗余力地宣传进化论,并在1884年出版了<进化论与伦理学》(即《天演论》)一书,阐述了关于整个自然界进化发展的广义进化思想。他把进化观点从生物界推广到整个宇宙:“对世界的局部来说是这样,对整体来说也是这样,自然知识越来越导致这样的结论:天上的列星和地上的万物都是宇宙物质的部分过渡形式,在沿着进化的道路前进”。“只要我们称之为科学知识的那种对事物的性质的有限揭露还在进行,它就会越来越有力地使人相信,不仅植物界,而且动物界;不仅生物,而且地球的整个结构:不仅我们的行星,而且整个太阳系;不仅我们的恒星及其行星,而且作为那种遍及于无限空间并持续了无限时间的秩序的证据的亿万个类似星体,都在努力完成它们进化的预定过程”。生物进化、宇宙进化、耗散结构、信息系统、自动控制系统..,它们都能产生有序化,这就是广义进化。可以说,负熵论(广义进化论)是关于整个自然界进化发展的带有普遍性意义的综合性理论体系。我们热切地期待着,这个新课题能引起更多入的兴趣,大家共同努力,使负熵论这个未来的新学科或新的自然科学理论体系尽早诞生。

 

 
 
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