熵的哲学原理

摘 要 熵是一个极其重要的物理量，是描述复杂系统状态的函数，它表示系统的有序化程度。熵理论是由熵的概念与原理构成的理论体系。熵理论发展至今虽然还在不断的完善，但它所揭示的哲学意义却是十分丰富的。这些哲学意义主要体现为：熵的变化是双向的，科学证实熵既有增也有减，负熵即是熵的减少。在孤立系统内，任何变化都不能使系统的总熵减小，熵和负熵是对立的但是二者又都服从于热力学第二定律，熵与负熵的关系揭示了矛盾的立统一规律；由于能与熵二者的竞争决定了系统所处的状态，熵变由此作为判断平衡和反应方向的依据，在恒温恒压焓变相同的条件下，随着熵变数值由小到大，吉布斯自由能也必然会经历着>0、=0和<0三种截然不同的状态，而熵变所经历的变化是量变，在吉布斯自由能不为零的前提下熵变保持着关节点范围内幅度的增减均不能引起反应方向的改变，因此透过熵变改变体系平衡及反应方向的这一过程揭示了质量互变规律；在熵增熵减矛盾的对立、通过涨落和突变的这一系列过程中存在着三个环节，两度否定：初期熵减占据系统的主导地位是对熵增的否定以及最终熵增占据系统的主导地位又是对熵增否定的再否定，因此体系中熵的变化过程揭示了否定之否定规律。

关键词 熵 对立统一 质量互变

作者简介：袁一楠，长沙理工大学马克思主义学院2017级外国哲学专业研究生。

中图分类号：B5 文献标识码：A DOI：10.19387/j.cnki.1009-0592.2018.11.240

“熵”这一概念的源于第一次工业革命后日益发展完善的热力学。科学界对熵的研究至今已有一百五十多年的历史，近六十年来学者们对熵理论的研究创新更是突飞猛进，熵理论也被广泛应用到热力学、化学、生命科学、统计学、信息论、非线性动力学等诸多领域，爱因斯坦甚至称其为：“整个科学界的第一法则”。本文就熵的概念、熵理论的发展历史以及熵蕴含的哲学思想等方面进行探讨。

一、熵及熵理论的发展

“熵”是德国物理学家克劳修斯为了通过数学形式表达热力学第二定律的实质而引入的一个状态函数。1850年，克劳修斯在遵循能量守恒原理以及对卡诺循环研究的基础上，提出了热力学第二定律关于热量传递过程的表述：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他方面的改变。为了使自己的这一观点能够通过数学方法得以证实，克劳修斯于1865年引入了状态函数熵，符号S，由此得出了热力学第二定律的数学表达式：dS≥dQ/T。在引入熵的概念后，热力学第二定律可以表述为：在孤立系统内，任何变化都不能使系统的总熵减小。若变化过程可逆，则dS=0；若变化过程不可逆，则dD>0，总之熵永远是增加的，因此热力学第二定律又称作熵增定律。“1887年，玻尔兹曼在概率论的基础上，从微观角度出发，对克劳修斯的热力学熵理论进行了拓展，揭示了熵的物理意义”。 他建立了熵与微观状态函数W之间的关系，得出了熵的数学表达式：S=KlnW，这里的K为玻尔兹曼常数。“该式阐明了熵的微观本质，给予熵明确的统计意义：孤立系统的熵与其微观状态数的对数成比例，换言之熵是微观状态个数的函数，是系统微观状态数度量。W越少，熵越小，系统越有序；反之，W越多，熵越大，系统越无序”。 克劳修斯引入的熵是宏观物理量，而玻尔兹曼熵是微观的熵，是系统微观世界混乱度的度量，是克劳修斯熵的进一步深化。

1948年，美国数学家申农通过引入统计热力学熵的概念从而创立了信息论，信息论中申农得出了同统计力学熵相同的数学公式，称之为信息熵。在统计热力学中，熵可以看作是系统无序状态或不确定性的量度，而信息的量度同样与和它所代表事件随机性的概率相关：若事件发生概率越大，有关此事件发生的不确定性就越小，因此包含的信息量就越小，熵值越大；反之如果事件发生的概率越大小，有关此事件发生的不确定程度就越大，其包含的信息量就越大，熵值越小。信息和熵是互补的关系，信息即是负熵。信息熵的出现使熵的概念突破了热力学的界限，为其日后广泛应用于不同领域奠定了基礎。

二、熵理论的哲学意义

（一）熵与负熵的关系揭示了矛盾的立统一规律

熵的变化是双向的，科学证实熵既有增也有减，负熵即是熵的减少。马克思主义哲学认为：“一切矛盾都是由对立着的两个方面构成，矛盾关系就是发生在对立面之间的关系，没有对立的两个方面就不能构成矛盾。” 在孤立系统内，任何变化都不能使系统的总熵减小，所以熵和负熵是对立的。英国物理学家麦克斯韦于1871年提出的“麦克斯韦妖”这一假想模型虽然从理论上能够制造出一个局部熵减的系统，但仍然不能推翻热力学第二定律，因为局部熵的减小要以周围环境熵的增加为代价。1969年比利时物理化学家普里戈金在一次"理论物理学和生物学"的国际会议上首次提出了著名的耗散结构理论，即关于非平衡系统自组织的理论。耗散结构理论的提出成功解释了所有生命体以及人类社会不断有序化发展这一“熵减”过程，认为生命体以及人类社会的有序化发展往往要以造成周围环境更大的混乱度为代价。因此就生命系统包括人类社会同周围环境所组成的全部体系而言，其最终的发展仍然是朝着无序化进行的，仍然服从于热力学第二定律。由此可见，尽管熵和负熵的对立显而易见，但熵和负熵又是统一的，二者相互依存相互转化的关系服从于同一原则即热力学第二定律。对立关系与统一关系是两种不同的关系，但这两种关系又总是结合在一起。现实世界既存在着生物体的熵增，也存在生物体的熵减；既存在非热力学孤立系统的减熵，也存在热力学孤立系统的增熵。熵增熵减存在于任何一个开放系统中，而整个系统最终是熵增还是熵减则取决于二者的相对大小以及博弈的结果。

（二）熵变作为判断平衡和反应方向的依据揭示了质量互变规律

对于化学反应而言，反应前后熵的变化称作反应的熵变，其大小影响着作为平衡判据的热力学函数。十九世纪末美国物理学家吉布斯在其发表的化学热力学经典之作《论非均相物体的平衡》中提出了吉布斯自由能这一重要概念，吉布斯自由能是恒压、恒温过程中系统自发反应方向与平衡的判据，其数学表达式为 G= H-T S（KJ/mol），“从热力学观点来看，正是能与熵二者的竞争决定了系统所处的状态，自由能的公式更是直接表达了这样的事实，平衡乃是能与熵之间竞争的结果，温度T决定着这两个因素之相对权重。” 因此在恒温、恒压时，吉布斯自由能的大小完全由焓变和熵变决定：当 G<0时，反应可自发进行；当 G=0时，体系处于平衡； G>0时逆反应自发进行，对于一个确定的化学反应， H是保持不变的，故在以上所有条件下，只有 S决定着 G的大小，因此随着 S数值由小到大， G也必然会经历>0、=0和<0着三种状态，这三种状态之所以不同，是由于他们具有自身质的规定性。马克思主义哲学认为：“量是事物存在和发展的规模，程度，速度等可以用数量表示的规定性，以及事物构成因素在空间上的排列组合方式，量的规定性不同于质的规定性：质与事物的存在是直接同一的；量在一定范围内的增减并不影响某物之为某物。” 在上述过程中 G所经历的三种变化是质变，其数值同0的大小关系与体系平衡及反应方向存在直接的同一性。而 S所经历的变化是量变，在 G≠0的前提下 S保持着关节点范围内幅度的增减均不能引起反应方向的改变，因此，在该条件下 S与 G的关系是辩证的，前者变化是后者变化的前提，后者变化是前者变化的必然结果。所以，透过熵变改变体系平衡及反应方向的这一过程中就蕴含着质量互变这一哲学规律。

（三）体系中熵的变化过程揭示了否定之否定规律

自然界的演化和发展是复杂变化的，在此过程中总是伴随着熵增和熵减，其外在表现也呈现出有序的进化和无序的退化。在熵概念尚未提出之前，英国物理学家开尔文首先提出了“热寂”思想。后来克劳修斯于1867年正式提出“热寂说”理论。“热寂说”认为：宇宙的熵永远增大，随着时间的推移宇宙将接近其熵值极大的极限状态，在该极限状态下任何变化都不会发生，宇宙就会逐渐进入一个永恒的死寂状态。因此“热寂说”对达尔文的“进化论”进行了否定，认为生命体的产生以及一切进化都是“表面现象”，其本质仍然是退化的、无序的，并且逐步走向最终的消亡。恩格斯曾在其著作《自然辩证法》中对克劳修斯的“热寂说”理论进行批判，但哲学思辨终归不能代替自然科学，对“热寂说”理论合理与否的探索仍然是科学工作者们长期奋斗的方向。1944年，著名物理学家薛定谔出版了《生命是什么》一书，提出了“生命体想要摆脱死亡顺利存活就要不断的从环境中不断汲取负熵”的“负熵说”。1969年比利时物理化学家普利高津在薛定谔“负熵说”和不违背热力学第二定律的理论基础上，为阐释生命系统如何产生和进化时提出了“耗散结构理论”，这一理论初步将热力学第二定律和“进化论”进行了统一。该理论认为，热力学第二定律研究的是孤立系统和平衡态，而生命系统最重要的特征是它们产生于远离平衡态非线性的开放系统。一个远离平衡态非线性的开放系统通过与外界进行能量和物质的交换，当系统内部某个参量的变化达到一定临界值时，通过涨落，系统可能发生突变，从无序状态发展成有序结构。在这个看似“逆”热力学第二定律的过程中，系统从无序到有序的熵减过程实际上是对熵增的否定，即普遍肯定的熵增理论的自我否定，这说明在生命系统产生和进化过程中存在着熵增和熵减的矛盾，由于矛盾双方的相互作用，当熵减的一方占据主导地位支配着整个系统时，系统就出现了由无序到有序的自发倾向，进而产生了生命体，并使其不断的进化。马克思主义哲学认为：“肯定的方面是事物保持自身存在的方面，即肯定這一事物它自身的方面。否定的方面是促使该事物灭亡的方面，即促使它转化为其他事物的方面。” 不过这种远离平衡态非线性的开放系统一旦形成新的有序的结构，就需要从环境中不断吸取负熵通过降低自身的总熵来保证有序结构得以维持，但通常情况下，热力学系统相对于其他子系统来说非常庞大，涨落的概率相对于平均值而言又十分渺小，所以生命体依据热力学第二定律走向最终的消亡是不可避免的，即系统熵增同熵减的斗争中熵增最终将占据主导地位，这是对熵减的否定，也是对普遍肯定的熵增理论的否定之否定，因此在这个过程中存在着三个环节，两度否定：熵增熵减矛盾的对立、通过涨落和突变熵减占据系统的主导地位和最终熵增占据系统的主导地位以及对熵增的否定和对熵增否定的再否定。正如恩格斯所说：“事物发展的过程按本性说是对抗的、包含着矛盾的过程，一个极端向他的反面的转化，最后，作为整个过程的核心的否定的否定。” 由此可见生命体从产生进化到最终消亡是一个熵增过程的否定之否定，这一哲学规律也显示出事物自己发展自己的完整过程。

注释：

苑娟、万焱、褚意新.熵理论及其应用.中国西部技.2011，10（5）.42-44.

林德根、鲍晓光.论熵理论的哲学意义.中共哈尔滨市委党校学报.2009（1）.1-4.

《马克思主义哲学》编写组.马克思主义哲学.北京：高等教育出版社、人民出版社.2009.120，129-130，134.

冯瑞、冯少彤.溯源探幽：熵的世界.北京：科学出版社.2016.33.

马克思、恩格斯.马克思恩格斯选集：第三卷.北京：人民出版社.1995.483.