格致夫：名家眼中的熱力學定律與世界末日  

現代著名哲學家、數學家、邏輯學家、社會活動家、諾貝爾獎獲得者伯特蘭·羅素說過：有史以來，科學所做的最可怕、最陰鬱的預言，就是熱力學第二定律所預言的宇宙末日。根據該定律的熵增原理，宇宙在不可違抗地走向熱平衡，走向無序，走向寂滅。人類偉大成就的整座輝煌殿堂將不可避免地被埋葬在宇宙的碎片之下！人類本身註定要在大寂滅中歸於滅亡！這個理論是如此之無可爭辯，以至於沒有哪一種反對它的哲學可望站得住腳。

羅素的這個表述也就是所謂的“熱寂說”——代表那些教條地依據熱力學第二定律描繪宇宙未來的最悲觀看法！而這個“可怕”的定律實際上就來自於最普通的物理現象：任何比環境溫度高的物體，都會自發地向環境散發熱量，直至溫度達到平衡為止。如果沒有引入外界能量做功，絕不會出現熱量重新富集至高溫物體的反向過程。於是得出推論：所有恆星終將熄滅，宇宙中不再有能量流動，因而不可避免地走向無序，走向熱寂。熵增的這個威力簡直太雄辯、太明晰了！似乎任誰也無法用邏輯來推翻它的可怕預言！

這個該死的熱力學第二定律難免給不明就裡的人們一種不祥之感。而其不素之處在於，幾乎所有物理學定律都能在時間軸上反演，就它特立獨行！物理學家艾米·諾特爾曾指出，能量之所以守恆，其實質原因就是因為物理定律關於時間對稱。但熵增不可逆定律在時間對稱性上撕了一個很大的缺口。尤其令人不安的是，把熵增定律應用於我們這個宇宙，就必然得出一個結論：它是從一個很特殊的、高度負熵的狀態下開始的。這個特殊的負熵狀態從哪兒來？似乎只有一個說得通的來源：上帝！

科學家們當然不情願讓上帝大人“復辟”。他們堅定地信仰真理的普適性。但問題的另一視角是，如果不得不承認我們的宇宙來源於一個非常特殊、非常偶然的狀態（如大爆炸），那又與相信上帝有什麼本質不同呢？

首先，科學界最偉大的牛頓就是這麼做的！作為一位一直信奉上帝的教徒（並非晚年才如此），牛頓把宇宙的運行歸結為上帝的“第一推動力”。他曾表示：“引力解釋了行星的運動，但卻不能解釋誰讓行星運動起來的。上帝統治萬物，知曉所有做過和能做的事。”他還堅持認為，必須有神的不斷干預來改良宇宙這個系統！

其次，同樣偉大的愛因斯坦也只差一點走到這一步！愛因斯坦在其晚年曾耗盡心血試圖解決統一場論問題，但直至逝世也不能成功。而這個課題緣起於法國著名科學家拉普拉斯，他曾幻想：“如果有一種智慧能了解在一定時刻支配自然界的所有的力，了解組成它的實體各自的位置，如果它還偉大到足以分析所有這些事物，它就能用一個單獨的公式概括出宇宙萬物的運動，從最大的天體到最小的原子，都毫無例外，而且對於未來，就象對於過去那樣，能一目了然。”這個就是統一方程的猜想。愛因斯坦認為，從宇宙世界的存在，可以感覺到神的偉大工作，但神並不會干預人們的日常生活，神是非人格化的神。（關於宇宙起源與形態，近年來相繼提出了著名的弦理論、膜理論，似有突破。）

關於熱力學，愛因斯坦也有自己的見解：一個理論，如果它的前提越簡單，而且能說明各種類型的問題越多，應用的範圍越廣，那麼，它給人們的印象就越深刻。因此，經典熱力學給我留下了深刻的印象。經典熱力學是具有普遍內容的唯一物理理論。我深信，在其基本概念適用的範圍內，是絕不會被推翻的。

上世紀50年代，英國物理學家和作家查爾斯·斯諾出版了一本名作《兩種文化》，其著名論點是：“整個西方社會知識分子的生活”被名義上分成兩種文化，即科學和人文，對解決世界上的問題是一個重大障礙。該名著有中文譯本，其中有一段被廣為引用： “我曾多次參加一些聚會，根據傳統文化的標準，與會者被認為都受過良好的教育，並且他們一直興致勃勃地表達這樣的看法：對科學家沒有文化修養的現象表示難以置信。有那麼一兩次，我被激怒了，問與會者，他們當中有多少人能夠描述熱力學第二定律？他們的反應很冷淡，回答也是否定的。然而，我所問的問題，在科學領域其程度相當於問：你們讀過一本莎士比亞著作嗎？”

無疑，熱力學第二定律是一個重要科學定律。這位科學家兼作家把它在科學上的普遍性與莎士比亞在文學界的大名相提並論。無獨有偶，美國物理學家、“黑洞”命名者約翰·惠勒上世紀就表示，到了21世紀，誰要是不知道熱力學第二定律，就算不上有文化！這位物理學家還有一個更幽默的調侃：“哲學有可能太重要了，不能留給哲學家！”這似乎也是兩種文化互不待見的反映。據稱，還有一位物理學家給出這樣接地氣的說法：“根據熱力學第二定律，你不可能不輸不贏；根據熱力學第一定律，你不可能贏。”

最有趣的故事發生在一熱力學教授與愛好者之間的一場爭論。一讀者提出奇妙問題：一個雞蛋，受精前和受精後，哪個熵大？教授答：不是一個體系的問題，熵增原理不適用。某作者不滿教授“避實就虛”，撰文提出異議：精子進入卵子，必然熵減。其微觀可到達態的數目一定大大減少。不然，不能解釋此後生命的產生。教授再回應道：雞蛋並不是卵子，一個已經生下來的未受精雞蛋根本不可能再變成受精的雞蛋。你的回覆是完全錯誤的。請問有誰看見過：一隻公雞抱着一個未受精的雞蛋在給它授精呢？

根據科學共識，自然界有三個基本的普適定律，即質量守恆定律、能量守恆定律和電荷守恆定律。而對於熱力學孤立體系而言，熱力學第二定律是基本定律之一，它闡明熱力學過程的不可逆性——孤立系統自發地朝着熱力學平衡方向演化，也就是熵增原理。在一個封閉的系統裡，熵總是自發增大，一直大到不能再大。這時，系統達到一種完全均勻的熱平衡狀態，不再發生變化，除非外界對系統做功或提供新的能量。

至於熵增導致熱寂的悲觀說法。首先，地球本身就不是一個孤立系統，而是從太陽接受熱能的開放系統。而地球上的生物更是一個開放系統，通過從環境攝取低熵物質向環境釋放高熵物質來維持自身處於低熵有序態。地球的負熵流還來自植物吸收陽光產生低熵物質。這是基於熱二律的“熱寂說”不成立的最簡明解釋。

而在筆者看來，還有一個更重要的理據在於，具有能動性的人類可以通過多種途徑獲得能量，來保障地球及其文明成果維持在低熵有序狀態。特別是核能的成功，與一般的燃燒可燃物獲得熱能不同，巨大核能的釋放是利用物質內能的巨大飛躍！人類的另一個目標是尋找通過非放射性元素（如氦-3、氚、氘）獲得內能的途徑。另一個更宏偉的前景是，根據愛因斯坦把物質與能量統一起來的著名質能方程：E = mC^2，假如能找到把物質完全轉變為能量的途徑，將成為取之不盡用之不竭的終極能源！

誠然，即使人類能夠找到終極能源，也不能阻止太陽有一天會最終耗盡所有能量，帶來太陽系毀滅的結局！更廣泛地看，整個宇宙的未來也是沒有保障的。從這個意義上講，“熱寂說”又有無法駁倒的一面。但問題的關鍵在於：人類在46億歲的地球上出現不過區區200萬年左右，在人類可以想象的足夠長時間的未來，還是不存在“熱寂說”結局之虞的。所以，忘記杞人憂天的“熱寂說”，才是人類唯一理性的選擇。