熵理论让我们走火入魔-

利维坦按：

在格物这件事上，自然科学与社会科学有着明显的做法差异：前者侧重于关注事物变化的机制，而后者更乐于追问行为者的动机乃至价值观。在漫长的历史中，我们一直依赖于从社会科学中所获得的启示来指导生活，一直到大约两个世纪以前。此后，我们主要依赖的是自然科学的发展。

诚然，这种依赖客体的转变给世界带来了突飞猛进的改变——无论是个人生活还是世界全貌。自然科学的强势甚至体现在其对于社会科学的“取代“上，举个例子：现代司法在对一个罪犯作出裁决之前，可能还需要考虑他的大脑是否有生理病变。然而就像科学工作者经常说的一句话，“科技是中立的”，因此我们对于指导生活的自然科学总是抱有警惕，担心有一天会被反噬。本文借助熵理论所希望讨论的东西，也是出自于此。

去年夏天，就在巴黎达到有史以来的最高温纪录之前，我骑着自行车横穿这座城市去见我的一位朋友，罗曼·格拉齐亚尼（Romain Graziani）。坐在一家街边咖啡馆的椅子上，我们一边小口喝着过度研磨的浓缩咖啡，一边看着热浪之下鹅卵石路面上那一层空气泛起的诡异微光。
罗曼是一位古汉语学者，他和我分享了一个他在研究中突然冒出来的念头：想要达成某些特定目标，最有效的方式就是不要向着那个目标去努力。比如尝试入睡，如果你努力想着让自己睡去，你反而不会成功。类似的事情还有篮球里的三步上篮，网球里的反手击球，或者仅仅是在拍照时表现得自然一点儿。罗曼还说，世上还有一些类似的事情，但是那些事的本质更深刻，也有更强的因果关联。

几天后，我家那个温度计的读数竟然又上升了几度，当时我正在和生物地球化学家菲尔·泰勒（Phil Taylor）打电话，这位学者几乎全面放弃了自己的学术研究，转而投身到工业化农业（Industrial Agriculture）的改革事业中去了。

他说，如果那些从事广亩农业（Broadacre Farming，主要指代澳大利亚的大规模种植农业，如大面积的谷物、菜籽或牲畜牧场种植）的农民选择种植多年生作物而非一年生作物，就可以减少大量的碳排放。多年生作物的根与微生物可以将有机氮与有机碳固定在植物中，反观一年生作物为了能在一年内快速熟成需要持续不断的耕种，反而流失掉了大量宝贵的化合物。

如果自古以来我们对宇宙与能量的法则有着完全不同的另一套解读，又会怎么样呢？

泰勒告诉我：“从事这类农业活动的农民对土壤太执着了，他们对土壤的干涉太频繁，也太剧烈了。如果生态系统是一部机械，这种农业活动根本不能转动这部机械中的飞轮（Flywheel），整部机械根本就是tmd在强行运转罢了。”

挂上电话，我尝试重新回到自己的写作中去。当时我的那本书恰好写到了一个关于经典热力学的章节。也许你还记得高中物理课上讲过的一个神圣的字眼，“热力学定律”（Laws of Thermodynamics）。通常来说，对这些定律的表述指出：物理系统中的能量将向外界自然辐射，整个系统也将趋向于冷却状态。

当然了，从我现在所处的位置来说，我倒是不太能从直觉上认识到这种热力学法则——毕竟我正坐在一个热到无法忍受的阁楼里，我眼前能看到一个形状奇特的锌顶房屋，在阳光下反射出强烈刺眼的光芒。我的感受与定理所述完全相反：这种对世界的认知多么奇怪！

我感到自己好像身处一个发烧时会做的噩梦里：如此奇怪的概念是怎样产生的呢？这样的想法与什么有关呢？难道是因为我们也和农业生产一样是tmd在强行运转着吗？也许我们真的可以用其他方式解决今天的问题，只是我们从未停下过盲目的脚步？

回溯到早在维多利亚时代就提出的热力学定律，我们可以看出这些法则是怎样一步步被曲解和误读的，也许我们还能搞清楚为什么会发生这样的事。19世纪，第一本关于热力学的教材来自于三位学者的研究成果，他们分别是来自柏林的鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius），以及来自格拉斯哥的威廉·兰金（William Rankine）、威廉·汤姆森（William Thomson），后者大多数情况下被称呼为开尔文勋爵（Lord Kelvin）。

这些物理学家的课题是研究机械（比如蒸汽机）是如何将热能转化为机械能的，或者反过来，是如何将机械能转化为热能的。在研究中他们发现：效率存在着一个严格的极限；另外，机械所能达到的最佳状态就是只浪费一小部分能量，并通过发热的形式将其浪费掉。他们还观察到如果某个系统一端热、一端冷，那么该系统的温度最后会达到持平状态。最终，他们的研究结果都被综合到前两个热力学定律中了：

1.一个孤立的热力学系统的内能变化，等值于向该系统所输入的热量以及该系统对其所处环境做功的差值。（即该句之表意：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和）
2.热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。或者按照克劳修斯提出的新的熵概念，孤立系统内的熵将随时间增加。

对于一个经历快速工业化阵痛的社会，特别是一个正在迎来资本主义自由市场转型的社会，热力学是一种极为有用的科学。这些物理法则及其推论首先可以应用于提高引擎的工作效率，或者提高产量。但更重要的是，当一个社会从小农主导的农业社会转型为一个由工人主导的城市化社会时，这些理论只需稍加措辞，就可以与当时社会经历的深层意识形态转型、文化转型保持一致。

举个例子：你永远不可能免费获得任何东西，无论是能量还是做功（在一个小型农场里，如果气候适宜，你也许能在一定程度上不劳而获。但是在一家工厂里你绝对办不到）。再举个例子：如果一个做功的系统得不到源源不断的能量输入（或者得不到源源不断的煤炭），该系统自然就会冷却并消亡。我并不是在暗示这些法则背后相关的研究在科学角度应该被怀疑，我只是想说，它们在当时广泛的社会变革中应运而生并不断发展，这既不是偶然，也绝非无关紧要的事件——就连它们的表述、转述方式都反映了那个时代的变革。

热力学理论让社会更好地接受了自由竞争。

在达尔文的研究中也能找到类似的社会影响。很多历史学家都注意到了一点，即达尔文提出的自然选择理论与主导当时社会的政治经济观点有着某种深层联系，而那个时代也正是属于达尔文的时代。凡是维多利亚时代的精英们都认为亚当斯密提出的自由竞争与另一位经济学家大卫·李嘉图（David Ricardo）提出的自由市场，将像蒸汽机一样驱动经济与社会不断进步。当达尔文提出他的理论后，精英们发现这恰好印证了他们崇尚的社会系统。用经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯（John Maynard Keynes）的原话来说，“适者生存原则可以被看作是对李嘉图经济学的高度概括。”

然而不得不说，尽管达尔文的研究经常被学者以冷静的批判眼光审视、讨论，但是热力学似乎成功地避开了这种命运，很少有人把热力学放在怀疑、讨论的语境中。究其原因，也许是因为物理严谨而古板的特性让人们认为该学科不宜受到广泛的社会参与。

事实上，达尔文主义与热力学的相关理论都为那个时代提供了值得借用的价值观——恰好是那个时代需要的对宇宙万物的一种解读——毕竟那个时代的主旋律就是自由竞争、实业主义（Entrepreneurialism）和不断增长的工业实力。这种观点从本质上指出，世界会自行朝着冷却与无序的方向迈开步子，但这个世界也可以被救赎、被点亮、被重组——而唯一的救赎就来自世间万物为了生存和领先而展开的竞争与混战。

正如达尔文的研究成果，当热力学理论被引入并不严格相关的领域时，它常常会引发错误的结论。威廉·汤姆森本人就曾经迷迷糊糊地掉入这个陷阱，当时他正试图估算出地球的年龄。这曾经是一个充满争议的重大问题：这颗星球到底多大了？因为当时达尔文刚刚发表了《物种起源》，而他提出的进化过程必须要经历漫长的时间跨度才有可能让动植物变得多样且复杂。

事实上，没人知道地球上的生物到底进化了多久，目前还没有人能根据进化论中的基本要素推测、估算出一个详细的时间。然而达尔文对此却有一个大概的时间概念，他给出的答案是：进化至少已经进行了10亿年。

那位开尔文勋爵和查尔斯·达尔文很像，人们对此二人的视觉记忆总是银髯飘摆的老者，眉骨隆起如甲虫的智者——就好像他们生出来就已经是“白胡子老头”了。然而在这场关于地球年龄的辩论之初，达尔文不过50岁，汤姆森还不到40岁，后者要等到几十年后才会被封为开尔文勋爵。不管怎么说，当时的汤姆森已经是热力学领域公认的奠基人——他开创的这一学科是个可以量化的学科，而达尔文的学科则是以叙述为主的学科；另外，前者是预言未来的，而后者是描述过去的。尽管那时候汤姆森很年轻，但他的理论无疑增添了此人在学术界的权威性。

基于在矿坑中的测量数据，汤姆森发现当你向下走得越深，测量到的温度就会越高——恰恰是根据这一观察，很多人会推测也许地球曾经温度很高，但后来逐渐降温了。高温球体的热通量（Heat Flux）在热力学中是一个可精确描述的过程，于是汤姆森设计了一个模型并提出问题：如果我们这颗星球曾经一度温度极高，高到让一切熔化，那么这样一颗星球冷却到今天的温度需要多长时间呢？

根据他的计算，答案是处于2000万年至4亿年之间，这一区间跨度之大意味着在推测中存在巨大的不确定性。但尽管如此，达尔文还是被吓到了。毕竟汤姆森计算出来的地球冷却时间在达尔文看来太短了，仅仅是达尔文认为的自然选择所需时间的二分之一至五十分之一。达尔文在与朋友的通信中写道，他认为肯定是哪里出错了，但是他不知道出错的是哪个步骤——这就是达尔文与汤姆森的矛盾之处。

事实上，地球有着三大热源，而汤姆森低估了其中一个热源的能量，还无视了另外两个热源。首先，被他低估的那个热源即地球形成过程中产生的热量——在星球不断聚合的过程中，引力场中的能量释放了大量的热。被他忽视的两个热源其一是地球内部融化的物质在流动和摩擦中产生的热量，其二更为人们所知，就是辐射。

汤姆森当年没有任何技术手段可以了解到地球上的某些元素会不断地释放能量，那时候人类还没有观察到放射性衰变现象。直到今天我们都不知道当初忽视了辐射这一热源会给汤姆森的理论带来多大的影响，因为我们尚不清楚地球内部蕴藏着多少放射性钾、铀、钍。但我们至少知道这些放射性元素足够带来巨大影响，并让地球保持今天的核心温度。

笼统地讲，汤姆森忽视了很多蕴藏着巨大热能的热源。这让他想到地球的冷却速度也许很快，其猜测速度大大高过了地球的实际降温速度，而这样的想法又让他联想到地球的年龄。于是汤姆森在研究热力学第一定律时曲解了该定律，就是定义封闭系统中能量计算方式的那一条定律。然而在他的思考过程中仍然没有避开那个基本的错误——对存在着的能量的忽视——这也导致了汤姆森在研究热力学第二定律时出现了大量错误。

当人们讨论为什么生命体会消亡，为什么社会与文明会崩溃，为什么进化的过程一定有神圣的力量参与其中，人们总是频繁地、粗略地引用热力学第二定律。这些讨论把热力学意义中的熵概念完全抛开，无视熵其实是无序，也无视熵概念最基本、最重要的一点就是输入能量即可实现熵减（或降低无序）——而好消息是，正如我们所观测到的那样，能量是无处不在的。

在理想的实验室环境中，我们可以很容易演示能量如何实现某个系统的熵减，但是更重要的是，恒星、生物种群、生命体和社会其实都是熵减系统，在这些系统中能量总是可以生成有序的架构，而这些系统中现有的熵总是少于它们被创造之初所包含的熵。在这些系统中，熵增根本不存在物理学意义上的必然性。

我们不妨加上第四条定律：根本不存在什么“孤立的系统”。

几乎在所有对热力学第一、第二定律的曲解中，都可以看到同一个词引发了相似的误解。而这两条定律中都出现了同一个词，就是孤立的系统（Isolated System）。其概念就是在这个系统中，没有任何物质能进入或离开、加入或分离，我们也更不需要考虑这些因素。

当然，我们可以在实验室环境中创造孤立的系统，但即使如此也只能得到近似的孤立系统——而且误差并不小，因为就像我们对这种实验的第一判断，总有一些能量会消散掉。这些实验注定只能得到近似值的原因，就是我们的世界到处都充斥着能量：比如残留的热能就永远无法被完全消除掉。即使宇宙大爆炸那样遥远的事件产生的能量也仍然留存在恒星的内核与宇宙微波背景辐射（Cosmic Background Radiation）之中。别忘了还有成对产生的量子（Quantum Pair Production），无时无刻都充满活力，也许它们就是宇宙正在加速膨胀的原因。

当然了，如果我们把目光转到实验室的密闭结构以外，我们每个人的日常生活中也从来不存在什么真正的孤立系统。

基于上述原因，我们甚至可以考虑一下要不要再增加一条热力学定律。第一、第二定律我们刚刚已经转述过了，热力学第三定律其实是在补充说明温度与熵的关系。那么，我们不妨将这条热力学第四定律表述为：

4.根本不存在什么“孤立的系统”。

当然了，这条新的定律的确严格地限制了第一、第二定律的适用范围，但是这两条定律在理想情况及实验室的近似实验中仍然适用，丝毫不受影响。我们只不过是想用这条定律提醒自己，前两条定律描述情况并不一定真的存在。这一点很关键，因为所有曲解热力学理论的说法都大言不惭地引用第一、第二定律，并把我们引入歧途，这些维多利亚时期就已经大行其道的二手科普早就改变了我们对世界的基本感知。

这类说法让我们认为能量与秩序将越来越稀缺，还让我们认为自己必须尽快行动起来，勤勤恳恳地发挥自己的创造力——或者更准确地讲，这类说法让我们感觉世界就是如此——于是这样的论调让我们很难应对当今的历史时刻，如今我们所面对的真正威胁并非匮乏的问题，而是过剩的问题。我们并没有面临“无柴可烧”的问题，我们面临的问题是人类有太多可能把自己的文明付诸一炬……

气候变化就是最显著的一个例子，在我们的工业活动中，人类大量利用分子中蕴藏的能量，以至于我们改变了大气的物理及化学特性。除了气候变化以外，我们也看到了其他例子。如果换个角度考虑，工业化肥（Industrial Fertilizer）的制造过程可以被看作是能量转化的过程。在此过程中，巨量的能量（主要储存于天然气中）被用于破坏大气中极其稳定的三价氮结构，氮气。而该化学反应只是为了产生一种氮以不稳定、高能状态存在的分子。

问题在于，如今这种人造的活性氮物质在世界各地都泛滥成灾了。当它们流入江河湖海就会成为蓝菌门（Cyanobacteria）的极佳肥料，促使后者消耗掉水中所有的氧气，引发水华、赤潮现象，导致大片水域生灵涂炭。接着，这些活性氮会从受污染的水面沉入深层水域，当几十年后这片水域终于完成了自净循环，其中的那些含氮分子将不断被释放到大气中。该过程的产物通常是一氧化二氮，其捕获并保存热量的效率大概是二氧化碳的300倍。

换句话说，我们的农业生产正在不停地向深海中倾倒破坏气候的定时炸弹，并把它们推脱给我们的孩子、我们的孙辈，让他们去想办法拆弹。

如果自古以来我们对宇宙与能量的法则有着完全不同的另一套解读，又会怎么样呢？想象一下吧，假如我们可以更多地接收到来自小农社会的信息，更少地收到（替代农业文明的）工业文明信息。再想象，如果在此基础上进一步改变我们的世界观，直到我们可以在追溯深层集体回忆的同时拥抱更高层次的现代文明。甚至想象一下我们对能量的直观感受并不来自维多利亚时代的科学理论，而是基于更先进的物理学发现——无论是宇宙微波背景辐射的信息，还是量子的震颤。或者，我们还可以拥有一种对秩序的直观感受，而且这种感觉也并不来自熵减的晦涩概念，而是更多地来自最近的物理研究中关于自组织（Self-organization）的科研发现，或者来自最近观察到的生物会根据熵的微小变化发展出极具适应性且富有成效的化学反应。

如果我们被灌输了这样的世界观，我们的判断与行动就会被它影响，正如热力学与达尔文主义影响了整个维多利亚时代那样。到了那一天，我们也许就会更少地以工业化农业为前提思考或从事农业生产，因为这样的农业生产只不过是把天然气当作矿藏一样挖掘殆尽，并大肆挥霍能量却无法回收它们。到了那一天，我们可能会倾向于促进整个生态系统更好地运转，并且更多地研究再生农业（Regenerative Agriculture）潜在的长远价值。到了那一天，也许还会发生更广泛的改变，我们会开始意识到想要解决我们这颗星球面临的危机，真正的答案并不是忙碌喧嚣，而是安静休养。

是的，那个答案并不是急急忙忙地赶着下一班飞机横跨整个大西洋去参加一项重要会议，而是坐在家里安心地出席这场会议。那个答案也不是买一辆更高效的新车开起来，而是单纯地不要再开那些旧车。也许我们根本就没意识到自己其实有着更多的解决方案，之所以我们意识不到，是因为那些有效的方案看起来更被动，它们看起来并不是什么积极的解决方案，可惜我们却早就被训练成这副喜爱喧嚣激进的样子了。

文/Aaron Hirsh

译/谷风长道

校对/星白闲

原文/nautil.us/issue/86/energy/the-idea-of-entropy-has-led-us-astray

本文基于创作共同协议（BY-NC），由谷风长道&星白闲在利维坦发布

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