热力学第二定律与进化论

第四节　热力学第二定律与进化论

克劳修斯悲观的“热寂说”，引起了学术界的长期争论。原因在于，热力学第二定律是一个科学定律，是不能违背的。但把这一定律在宇宙体系中应用是否合适，看法很不一致，但似乎也没有有力的证据说热力学第二定律不能适用于整个宇宙。更令人无法轻易下结论的是，热力学第二定律所揭示的宇宙图景与进化论的方向是相反的。热力学第二定律揭示了熵增加的方向，指出了世界有自发地向着无序化的方向发展的趋势。而达尔文进化论揭示了生物由简单到复杂、由低级到高级进化的过程。在这里，物理规律和生物规律出现了完全相反的方向。

对“热寂说”，恩格斯曾用哲学的观点进行了批评，并认为：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来”。而一些科学家则设想了一些其他方法，试图调和热力学第二定律和进化论之间的矛盾。最著名的是麦克斯韦设计的一个名叫“麦克斯韦妖”的“妖怪实验”。

麦克斯韦设想有A、B两室，中间用隔板隔开，隔板上装有一个阀门。“麦克斯韦妖”是一种想象的能看到分子而又十分灵活的妖怪。这个妖怪操纵着把A、B两室隔开的隔板上的阀门，当快分子来时，妖怪就打开阀门，令其通过，慢分子来时，妖怪就关上阀门，不准通行。这样，快分子就都进入B室，慢分子就都留在了A室。A、B室就会出现了温度差。A室温度低，B室温度高。这样，麦克斯韦就克服了热力学第二定律提示熵增加的方向。

麦克斯韦的“妖怪实验”确实设计得思路巧妙，显示了麦克斯韦的丰富想象力，对后业控制论和系统科学的研究产生了很大的启发作用。至此，热力学第二定律和进化论之间的矛盾似乎已经让“麦克斯韦妖”解决了。然而，事情远远没有这样简单，麦克斯韦的“妖怪实验”是经不起仔细推敲的。原因就在于，在“妖怪实验”中，“麦克斯韦妖”是一个不吃不喝，不用消耗系统能量而能做功，并且全知全能的精灵，说得通俗一点，“麦克斯韦妖”就是上帝的化身。这样的“妖怪”是不存在的。那么，我们沿着麦克斯韦的思路，把A、B室隔板上的阀门不再交给“麦克斯韦妖”，而是安上一个装置，或者一个微型机器人，它能识别哪个分子快，哪个分子慢，让它来控制阀门。这样的识别装置在理论上是完全可以制造出来的。但是，问题在于，这样的识别装置在工作时一定是要消耗能量的，那么，根据热力学第二定律，它必然要带来系统熵的增加。结果是A、B室之间的温度差所带来的系统熵减小被识别装置的带来的增大抵消了。这就如同商业行为上的有产值而无利润，到最后白忙了。

由此可见，所谓“麦克斯韦妖”不过是一种已被热力学定律证明不可能的“永动机”。热力学第二定律与进化论的矛盾依然存在。人们不得不面对这样的问题：世界靠什么力量使已平衡的热重新集中起来而出现温差？是靠上帝一次又一次地拧紧“宇宙之钟”的发条，还是靠自然界本身的“自我组织”来完成？这成了科学家和哲学家普遍关心的问题。20世纪影响极大的自组织理论就与上面这个问题有关，其中普里果金还因他的耗散结构理论而获1977年的诺贝尔化学获。

热力学第一、第二定律的发现，使人们对各种热现象的认识有了理论基础。20世纪人们又发现了热力学第三定律。该定律有两种表述：①当温度趋于绝对零度时，体系的熵趋于一个固定的值，而与其他性质（如压力等）无关。②绝对零度是不可能达到的，即不可能用有限的手段使物体冷却到绝对零度。

绝对零度和光速一起成为表示自然规律的最重要，也是最神奇的两个极限数值。近百年来，多少人研究试图突破它们，或找到说明它们也有适用范围的证据，但都没有成功。不过，人们有理由猜测，作为规范所有自然现象的最根本，甚至带有一点宿命色彩的这两个极限数值，应该与我们这个宇宙最初的起源有关。可是，仅仅与起点有关吗？