熵的观念使我们误入歧途

去年夏天，在一场热浪的初期，我骑自行车穿过这座城市去见我的朋友罗曼·格拉齐亚尼(Romain Graziani)，这场热浪将导致巴黎有史以来的最高气温。在一家路边咖啡馆，我们啜饮着烧焦的浓缩咖啡，看着空气在鹅卵石上诡异地闪烁。罗曼是一位研究中国古代文本的学者，他分享了一个从他的研究中涌现出来的想法：有一些目标是通过不直接努力来实现的，这些目标是最有效的。例如，就像睡着了一样。如果你努力去做，你不会成功的。篮球中的上篮，网球中的反手击球，或者在照片中看起来很自然，都可以这么说。罗曼建议，还有一些更深刻、更有影响的例子。

几天后，水银升高了几度，我与生物地球化学家菲尔·泰勒(Phil Taylor)通了电话，他基本上放弃了自己的学术生涯，转而致力于工业化农业的改革。他告诉我，当大片土地的农民选择种植多年生植物而不是一年生植物时，可以避免大量的碳排放。多年生植物的根部和微生物将有机碳和氮锁定，而生长一年生植物所需的持续耕作让这些珍贵的化合物逃脱。

“这些勤劳的农民如此频繁、如此用力地敲打土壤，”泰勒说，“生态学的飞轮不能旋转。”他们实在是太拼命了。“。

打完电话后，我试着回到我的写作上。当时我碰巧在写一本关于经典热力学的书。你可能还记得高中物理课上冠以夸张名字的“热力学定律”。正如通常提出的那样，这些定律说，物理系统自然地耗散能量，并向冷无序状态流动。然而，从我现在坐的地方-在一个热得让人无法忍受的阁楼上，凝视着阳光下闪闪发光的锌屋顶的三维拼图-很难感受到这种热力学立法背后的直觉。相反，这是我第一次感到震惊：这是一种多么奇特的世界观。我发现自己在想，在某种发烧的梦中：我们从哪里得到过这样的概念？这是否与我们为什么如此拼命驾驶有关，即使有其他方法呢？

日晒痛是21世纪的权威疾病，但只有少数人知道它的名字。这些症状包括一种潜在的失落感，一种模糊的被从地球上撕裂的感觉，一种普遍的不合时宜的感觉，没有离开就无家可归……。多读。

通过回到热力学定律的维多利亚时代起源，我们可以看到这些定律是如何--也许是为什么--被广泛曲解和误用的。19世纪，第一批热力学教科书出现在柏林的鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)，以及格拉斯哥的威廉·汤姆森(William Thomson，通常被称为开尔文勋爵(Lord Kelvin))和威廉·兰金(William Rankine)的著作中。这些物理学家在研究蒸汽机等机器如何将热量转换为机械功，反之亦然，了解到对效率的严格限制。一台机器所能做的最好的事情就是放弃少量的能量作为废热。他们还观察到，如果你吃的东西一边是热的，另一边是冷的，温度总是会平衡的。他们的结果综合在前两个定律中：

一、孤立热力系统内能的变化等于提供给该系统的热量与该系统对其环境所做的功之间的差值。

热不能自发地从较冷的物体流向较热的物体。或者，用克劳修斯的熵的新概念来说，孤立系统的总熵将随着时间的推移而增加。

对于一个正处于快速工业化和向资本主义自由市场转变的阵痛中的社会来说，热力学是一门极其有用的科学。这些法律及其延伸可以应用于改善推动生产力进步的引擎。同样重要的是，他们可以用广义的措辞，在意识形态上与正在进行的文化转型保持一致，从一个由小农组成的农业社区，到一个由赚取工资的工厂工人组成的城市社会。例如：你永远不会免费得到任何东西--能源或工作。(在一个小农场，在宜人的气候下，你有时会这样做，但作为一名工厂工人，你肯定不会这样做。)。或者：如果没有通过做功(或许燃烧煤炭)的能量输入，系统自然会变得寒冷和无序。我的意思并不是说法律背后的研究在科学上有可疑之处，只是说它们是在正在进行的更广泛的社会变革中发展起来的，既不是偶然的，也不是无关紧要的，而且是以反映正在进行的更广泛的社会变革的方式表达出来的。

在达尔文的著作中，可以找到这种社会嵌入性的一个具有启发性的相似之处。许多历史学家已经注意到自然选择理论与当时占主导地位的社会政治和经济观点之间的密切联系，达尔文就是其中一位得天独厚的成员。维多利亚时代的精英们坚信，亚当·斯密(Adam Smith)和大卫·李嘉图(David Ricardo)的自由市场的不受约束的竞争将推动经济和社会的进步。在达尔文的理论中，他们发现了自然界对他们所偏爱的社会制度的反映。正如J.M.凯恩斯所说，“适者生存的原则可以看作是李嘉图经济学的巨大推广。”

然而，虽然这种观察经常与达尔文的工作有关，但热力学理论在很大程度上没有受到类似的背景影响。也许，尽管物理学非常严格，但人们认为它不太容易受到社会参与的影响。然而，事实上，达尔文理论和热力学理论共同为一个致力于自由竞争、企业家精神和工业扩张的社会提供了一个吉祥的世界观-一个关于宇宙的合适的乌尔神话。从本质上说，在这种观点下，世界自然地无精打采地走向一种极其寒冷的无序状态，但它可以被为生存和领先而斗争的生物的竞争性拼搏所拯救-照亮和组织起来。

与达尔文的工作一样，将热力学理论扩展到没有严格应用的领域往往会导致错误的结论。威廉·汤姆森本人在试图估算地球的年龄时就跌入了这个陷阱。这是一个令人担忧的重大问题-地球有多大年龄？因为达尔文刚刚发表了《物种起源》，他提出的进化过程需要很长的时间才能产生多样化和精致的动植物结构。事实上，还没有人开发出进化论的那些元素，这些元素允许对地球上生命的进化必须花费多长时间进行充分的估计。然而，不知何故，达尔文有一种感觉，他认为这肯定花了至少10亿年的时间。

查尔斯·达尔文(Charles Darwin)和开尔文勋爵(Lord Kelvin)总是被人们纪念为白胡子、长着甲壳虫眉毛的圣人；这就好像他们只是永远老了一样。但在这场关于地球年龄的辩论开始时，达尔文50岁，汤姆森不到40岁，几十年后就会被尊称为开尔文勋爵(Lord Kelvin)。尽管如此，汤姆森已经被认为是热力学的创始人，热力学是一种定量的理论，达尔文的理论是叙事性的，而达尔文的理论是描述性的。汤姆森的一个数字，尽管他很年轻，会有很大的权威。

根据在矿井中进行的测量，汤姆森知道，你走得越深，温度就越高--如果地球曾经非常热，此后一直在降温，人们就会预料到这一点。热球的热流是热力学可以精确描述的过程，所以汤姆森写下了一个模型，并问道：如果地球曾经熔化，需要多长时间才能冷却到现在的温度？他计算出，在2000万到4亿年之间。这个宽广的范围表明了很大的不确定性，但即便如此，达尔文还是被吓坏了。汤姆森的估计比达尔文认为自然选择所需的要小2到50倍。达尔文给他的朋友们写信说，一定是出了什么问题，但他不知道出了什么问题--这就是他反驳的汤姆森。

事实上，在地球内部的三大热源中，汤姆森低估了一个，完全错过了两个。他低估的是最初由行星形成产生的热量-聚集生长的过程，这是由嵌入在引力场中的能量驱动的。他完全忽略了的两个热源是地球表面产生的摩擦力。

在无序及其增加的趋势方面，人们经常松散地使用热力学第二定律来解释为什么有机体衰老，为什么社会崩溃，为什么进化需要神的干预。撇开把热力学熵看作无序的问题不谈，重要的和基本的一点是，能量的输入可以减少熵(或无序)，正如我们已经看到的，能量绝对是无处不在的。能量驱动的熵减少很容易在简单的实验室实验中证明，但更重要的是，恒星、生物种群、生物体和社会都是这样的系统，在这些系统中，能量被常规地利用来产生有序的结构，这些结构的熵低于构成它们的成分。在这些系统中，增加熵并不是物理上不可避免的。

在几乎每一条错误的第一定律和第二定律的过度延伸中，都有一个词标志着错误的症结所在。法律指的是一个孤立的系统。这个想法是，没有任何东西在没有被解释的情况下进入或离开，或来或去。我们可以在实验室中创建孤立系统的模型，但即使是这些也只是近似值-而且不仅如我们最初所想的那样，因为一定会有一点能量偷偷溜走。它们不可避免地是近似的，也是因为我们的世界充满了能量：存在着永远无法完全消除的余热。大爆炸遗留下来的恒星和宇宙辐射将能量隔离在原子核中。有一股无处不在的量子对生产的能量泡沫，这可能是推动宇宙加速膨胀的原因。当然，在日常生活中，在实验室密闭的围栏之外，我们甚至从未接近过孤立系统的领域。

基于这些原因，我们可以考虑增加一条法律。我们刚刚看到的第一个和第二个，第三个位置是温度和熵的关系，所以让我们称它为热力学第四定律：

诚然，我们的新法律对第一条和第二条的严格适用性进行了严格的限制，但它们在计算理想化的或近似的变化时仍将一如既往地有用。我们只是牢记，它们从来都不是完全正确的。这一点很重要，因为尽管热力学的过度扩张是以明确引用第一定律或第二定律为标志的，但在其他一些定律中，我们对世界的潜在感觉，就像维多利亚时代科学的普及版本所塑造的那样，将我们引向了危险的误区。

认为能源和秩序是自然减少的稀缺性，我们必须通过我们的聪明才智和忙碌来鼓吹-或者，更准确地说，我们对它们有这种感觉-我们很难理解和应对这样一个最严重威胁不是稀缺而是过剩的历史时刻。不是我们会耗尽精力，而是我们会以各种方式烧毁自己。

气候变化就是一个明显的例子。在我们勤奋的活动中，我们正在利用如此多的分子储存的能量，以至于我们正在改变大气的物理化学。但也有其他的例子。工业化肥的制造可以用精力充沛的术语来看待。大量的能量，主要以天然气的形式，被用于打破大气中氮的极其稳定的三键N2的反应，以便产生一种氮处于不太稳定、更高能量状态的分子。问题是，这些新产生的活性氮分子到处都是极其过剩的。它们流入海洋，使蓝藻过度肥沃，蓝藻大量繁殖，消耗所有可用的氧气，并造成大片死区。从表面受污染的水中，活性氮沉到底部，当这些水循环起来时，几十年后，所有这些氮的分子产物将被释放到大气中。这些产品-主要是一氧化二氮-在捕集热量方面的效率大约是二氧化碳的300倍。简而言之，我们正在给深海装载一颗定时炸弹，我们的子孙后代将不得不以某种方式拆除这颗炸弹。

如果我们对宇宙中的能量和秩序有一个不同的乌尔神话呢？例如，想象一下，我们的直觉仍然更多地来自那个农业小农的世界，而更少地来自于让它黯然失色的工业化文化。让我们的世界观进一步转变，我们可以将这样一种对我们更深层次的过去的找回与对高度现代的欣赏结合起来。想象一下，一种不是由维多利亚时代的科学而是由更新的物理学-从宇宙背景辐射到空间本身的量子热腾腾-提供信息的能量感。想象一下，一种对秩序的感觉，与其说是来自熵下降的松散概念，不如说是来自最近关于物理自组织或有机体方式的研究

亚伦·赫什(Aaron Hirsh)是一位作家和生物学家，对教育、进化论和环境有着浓厚的兴趣。在高温变得更糟之前，他搬回了博尔德，现在他和家人住在那里。郑重声明，他对达尔文理论和热力学理论都评价很高。