口胡论文一篇

这次回家休假,翻了下家里的旧电脑,发现研一时候写的一篇论文。重新读了一遍,发现很多文句有不严密之处,但时过3年,观点还是没有发生太大的变化,故贴上来。余早已经不是忧国忧民的FQ了,倘若你读得不顺眼开喷也请口下留情。此文是首次在余blog发布,转载是拒绝的。抄袭神马的也是可耻的

自然辩证法期末论文

科学技术的尽头

关键字:热力学第二定律 熵 可持续发展 物质混乱

摘要:人类的发展是否能随科学技术的进步无限进行下去?本文将利用热力学第二定律分析人类目前面临的发展困境,进行力所能及的探讨。

一、引言

小时候,我一直是科学家的崇拜者。那段时候,憧憬的对象一直在变化,有时候是宇航员,有时候是居里夫人式的科学家,虽然连科学家的概念都弄不清楚,但这种崇拜之情的对象说成科学家总不会有错。可能是作为小孩子时读的科普读物太多,不过现在细想回来,那些科普读物的主观导向性非常强,基本来说就是让你崇拜上科学技术,崇拜上科学家。我想,大概有两点:一、科学家都是崇高的,无私的,胸怀广阔为全人类服务的;二、科学技术是强大的,它改善我们的生活,几乎无所不能就算现在不能将来还是能而且是无害的。如今我当科学家估计是没戏了,但技术算是被附上身了,总算对小时候的理想有了点交代。

科普读物教给我的两个观点,估计现在都被我否定了,也可谓是教育的一种失败,怎么说都是书作者的一种失败。因此在这里给个建议现在写科普的作家,不要尽拍科学的马屁,好歹也写些反面例子吧,虽然我心理承受能力强,但难免有些单纯的孩子日后接触到残酷的现实不会精神分裂。

话归正题,这两个观点,第一个现在估计也就是能拿来哄哄小孩而已了,本文要探讨的是第二个观点。这世界上大体可以分为两类人——悲观者和乐观者,长了这么大,对科学技术也有过质疑,心中也有过思考,但我想我还是一位乐观者。我以前相信科学技术带来的问题可以随着科学技术的发展而得到解决,这也是很多乐观者的看法,不过现在我更倾向于认为它是一个神话。但我仍然是个乐观者,我善意地希望,人类不会自己毁灭自己。

下面介绍一些必要的理论。

二、热力学第二定律

最早被热力学第二定律2吸引是在高中时代,那时候语文改版,新增加了一系列课文,其中一篇是介绍热力学方面有关熵的可以说成是科普读物的文章。不过后来读大学后和物理的关系就像一点出发的两条射线,而读研究生时简直就是背道而驰了。热力学第二定律(简称热二律)实在有意思,不管是谁提出,也不管那些复杂烦人的公式,它说:熵(entropy)是正增加的。熵是什么?熵是系统无序度的度量。最早的无序度只是指能量,要不这个定理也不会叫热力学第二定律了,但后来人们意识到物质也是从有序向无序转化,这两者都是不可逆过程。都说人类一思考,上帝便发笑,热力学定律对宇宙来说无关重要,到底在什么条件下能被推翻对宇宙来说也无关重要,重要的只是它对人类的影响。对于能源和资源,人类的眼里除了开发和利用,别无其他,就算是保护也是为了更好的开发,有用和无用,热二律正是为人类而生。为了简单的介绍热二律的影响,牵扯到系统之类就太过学院化,通俗的说,从人类的角度出发,能量或物质被使用后,由低熵态变为高熵态,由有序的组织状态转变为无序的组织状态,虽然能量和物质不灭,但可用的数量却越来越少。当所有的物质和能量都变得无序,这便是热寂,但功利的人类自然不必去担心宇宙的命运。

高中时我就思考时光能不能倒流的问题,想想我头脑也算是不错的了,接触到热二律居然给我想出了证明过程。现实的世界熵只会增加,虽然你没有意识到,但一秒后的世界比现在要无序。时光要倒流,哪怕是只倒流一秒,也要将无序的世界变得更有序一点。这违反了热二律。好了,要时光倒流,你先去推翻热二律。后来接触到混沌理论,我又将时光隧道给推翻了。混沌理论说,你不能预测未来。一个确定的现在,就算将所有的变量都找出来,将所有的变化趋势用任意阶的偏微分方程(当然我那时候不会懂得偏微分方程)去描述,还是不能计算出未来,坚持能计算出来的,那是机械唯物主义。也即是说一个确定的现在对应着无数个可能的未来。穿越时空隧道回到现在,意味着未来也已经确定。这违反了混沌理论。曾今一度为自己的推理兴奋,过早的洞察使我少了很多迷惘,但也较同龄失去了许多幻想。

但理论的制高点未必使你更有说服力。我父亲曾经相信他自己能做出永动机,我发现我怎么都说不服他,他不会理睬你的理论。唯一的办法是让他自己做,也即是实验。写本文时,想不到还能搜到一条相关新闻3

热二律告诉我们,有用的物质和能量只会越用越少,同时无用的物质和能量越来越多。无用的物质被人类称之为垃圾。

三、乐观论和悲观论

 

中国从来都不缺乏一些异想天开的专家。他们提出一些骇人听闻的构思,如炸喜马拉雅山脉,引印度洋水气上青藏高原以缓解中国水资源压力;又如断山东半岛开凿运河沟通渤黄两海以缓解渤海水污染。这些人是科技狂热派,他们相信科技无所不能,比乐观者还乐观。正在实施的南水北调工程虽说不是异想天开,但仍然可以作为科技无所不能的一个代表。

对于人类面临的发展困境,乐观者通常认为是可以随着科技的进步得以解决。不管能不能得到解决,首先我认为这是一个非常不负责的观点。我们到底给后人留下了什么?污染的空气、水、土地,如山的废弃物,几乎被采空的能源储备,全球变暖。人类发展困境,这是又一个切尔诺贝利核电站,当代人类无能力去处理,只好用厚厚的水泥封住,将难题推给了后人,这是一个多么不负责任的态度!我们应当做些什么而不是全部留给后人。

这时悲观论者站了出来。放弃科技,回到过去的刀耕火种、小国寡民的时代吧。古代的发展方式能够可持续发展,这是历史做的实验。虽然热二律告诉我们热寂最终会来临,但那是以亿年为量级的时间后的事。小国寡民,就这样经营地球能持续个数十万年就已经心满意足。

小国寡民为什么行得通?人类是负熵的物体。熵是物质混乱的标志,而负熵则标志着这个物体高度有序,比平均的有序程度还要有序得多。如果要制造一个这样的物体,必须输入大量的有用能量和物质,也即以其他物质和能量变无序为代价。要制造人类这样一个负熵物体,消耗有序物质和能量最低的方法是生一个小孩然后抚养他长大,一次一个同学异想天开说制造一个微粒组装机器,按照物质的结构一个个把微粒组装起来就可以生成人类和其他物体,我说算了吧,造点简单的东西如金块啊可能还算可以,造人类你还比得过地球花了四十六亿年自然进化才得来的方法。负熵是自然选择的结果,物种必须更负熵才更有竞争力才能生存下去。但刀耕火种的人类未必比动物更负熵多少。就算生存一百年,只管吃和喝,也不过作为生物链的顶端输出多一点无序物质罢了。地球作为一个半封闭系统,通常认为只和外界交换能量而不交换物质。地球从太阳接受有序的能量(太阳能),向宇宙辐射无序的能量(微波辐射),维持了地球的负熵状态。人类低当量的活动带来的熵很快就会被太阳能的负熵抵消,人类砍伐树木,捕猎动物,开垦荒地种取粮食,只要不突破一个界限,破坏很快就会被自然修补。这是古代的农耕文明所论述的天人合一,也正是小国寡民能维持下去的原因。田松在《第三类永动机》1里论述了只和外界交换能量的半封闭系统也不可能可以维持下去,但无论如何,正如我上文所述,没有宇宙天灾,人类要小国寡民地经营地球几十万年总不会是难事。

但从高度发达的工业文明重返农耕文明,这是个倒退。只要这个世界不被极端的环保主义者悲观论者所把持,这就不可能发生,而我受过的十几年的马克思主义教育也告诉我这不可能发生。我们的科学技术难道做不了什么了吗?

四、论可持续发展

世界提出可持续发展已经很多年,很多人拿可持续发展作为救命稻草。就算在中国,我印象中九十年代读小学时就听过这个概念。但如今看来,也越发像个神话。

我曾经一段时间很崇拜欧洲,因为我觉得他们基本实现了可持续发展。看过新闻报道鱼类重返泰晤士河,看过德国鲁尔重工业区的成功改造案例,还有数不胜数的标志欧洲的自然环境得到恢复的照片。伴随着的是中国逐渐成为世界的制造中心,中国的污染日益严重,中国的治污治不胜治。然而,深思后发现,这两者其实存在着必然联系,欧洲的可持续发展是伪可持续发展,他们的环境恢复是以中国的环境破坏为代价。在欧洲乃至日本美国,他们所需的很多生活用品工业初级品都是从中国进口,他们为什么不制造?代价太巨大了,工人的工资只是很小的一部分原因;制作这些商品的环境成本太高,由于法律的高度完善,破坏环境的道路已经行不通,而从技术角度上,不影响环境地生产也是个神话。所以并非欧洲人觉悟有多高,他们也只是从商业利益的角度看待问题。因此制造业转移到了中国,用一句话说,中国成为了世界的烟囱。中国的人力成本低,另外一个利好消息时,政府会和你同穿一条裤子,民众投诉环境问题,有政府帮你压下去。西方人的可持续发展实质是将高熵转移到中国,以实现自己的负熵,他们没有解决熵的问题,只是将问题转移。但中国的环境崩溃了,中国排放的熵全球化(最典型的例子,温室气体排放)了,他们还能继续逍遥自在吗?因此他们的发展是伪可持续发展。

远古时候,地球一片荒凉,我们以此为参考点,将熵值定为零。经过太阳四十六亿年的照射,直到人类出现,地球越发变得有序。整个地球表面被生物圈所覆盖,生机盈然。这是一个高度负熵状态。太阳的恩泽不但实现了地球的负熵,而且还有盈余,多余的负熵被储存了起来,成为人类日后称之为煤炭石油的东西。人类出现,只不过多了一个生物物种,人类工业社会的出现,对地球而言才真正是一个灾难。

人类工业社会又是一个超负熵的存在。它比我们全人类自身生存仅需要的负熵高上几个数量级。自从有了工业社会,我们已经不是只考虑吃的问题。从生下的那一天,总得有个地方住吧,因此有了房子;到长大成人能够自行独立前,要学会能生存乃至发展的能力吧,因此有了教育;要出行呀,因此有了道路和交通工具;交通工具制造要金属啊,跑起来要烧油啊,因此有了冶金工业炼油工业。人类还不满足,身体歇了,脑子也想歇会,因此有了计算机;还要朝闻天下,有了电视电台网络。人类永远都得不到满足,他们津津乐道于一个概念:GDP。人类社会是一个超负熵的锅炉,它处于一个严谨有序的状态,社会学家说比自然界都要有序得多了。要维持这样一个状态,必须输入大量的负熵物质和能量,排出高熵的废弃物。负熵的物质来自哪里?森林、淡水、空气、土地、矿石、能源、生物物种……人类想尽一切办法利用能利用的东西,将它们统统投入锅炉。同时排出的高熵废弃物谁帮我们解决?农业社会的人类是全交给了自然,工业社会的人类是一半交给了自然,一半交给了上帝。好了,我们看看自然的负担有多重,她不仅要维持自己的负熵状态,她还要替人类社会维持负熵状态。我们将自然能给我们解决的部分称之为可再生资源,连自然都不能解决的部分,也即是上帝那部分,我们称之为危机。

自然能够给我们提供的负熵和能够给我们处理的熵都是有限度的,这个限度最大的标志是她维持自身负熵的最低状态,突破这个状态,自然就崩溃了。如果未来人类还能存在,从热力学的角度来看,他们所做的并没有比刀耕火种小国寡民更先进,他们不过也是同样维持了自身的负熵和自然的负熵,更完美点,还略有盈余。

五、我们能做些什么

 

前文说过,工业社会的人类是将不能处理的高熵交给了上帝。谁是上帝?我们其实期待着我们的后代是上帝,不能解决的问题期待他们都能解决。但未来他们存在吗?他们的未来存在吗?

其实我们更应当是上帝,将目前所有的问题都解决,留给他们一个轻松的未来。这是创世。

回到科学技术上来。生产同样的物质,如果消耗的负熵(有序)更低,则我们称之为更有效率,这也是科技更发达的一种形式。假设存在初始状态一模一样的两个地球,假设他们最终都要毁灭,他们单位时间产出的GDP都相同,而且都保持恒定的产出率,但一个地球科技更昌明,产生的熵更少一点,可以预见,这个地球的毁灭更晚一点。这时有人看到了希望的火花,就像牛顿对第一宇宙速度的设想,站在高山顶架一门大炮,炮弹速度越大飞的越远,当速度达到宇宙第一速度就能绕圈圈了,他希望科技能无限昌明下去,按照原来的技术水平还能发展一百年,昌明一点点就能延长一点时间,昌明到一定程度不就解决人类发展问题了吗?问题是,延长的时间可能是随着昌明的程度趋向于一个极限值而非无限值,或者说科技不可能无限昌明下去。但是我们还是看到了科学技术的一些正面作用。

我更倾向于延长时间存在极限值。就算能解决能量问题能成功用核聚变发电,科技还是有怎么都无法解决的问题,那就是物质混乱4。地球不能和外界交换物质,终有一天,地球所有的物质都无法再利用,退一步而言,只要有一类必需品混乱到无法再利用,人类如果不能移民外星球,就只能灭绝。很多人以为物质能无限循环使用,只需以能量为代价。但事实并非如此。我们使用的物品,很多都来自矿物。这些矿物呈富集状态,否则无法利用。以铁为例,古代的农业文明从铁器时代起耕种普遍使用了铁耙,他们要把铁矿石开采出来然后冶炼成铁再铸造成铁耙,在使用中铁原子会磨损,散失到土地当中,变为不可用的物质,但铁的需求量总体不大,可供古代人有足够长的开采时间。到了现代工业社会,人类对铁需求量之大以致目前的探明储量已不足开采150年,但人类的浪费相比古人要惊人得多。技术的进步可以使得熵降低,但不能无限降低到零,可以提高回收率,但不能提高到100%。说到提高回收率,这又是一个神话。要回收铁原子,无论技术怎么进步,回收成本都是随着回收率的增长而急剧增大,而伴随着回收过程,就算忽略了能量损耗但又添加了回收设备的物质损耗,正所谓得不偿失。科技的进步大大促进了物质混乱的速度,古代人类不用去担心这个,他们没必要,这只是隐藏在科技带给现代人类力量的背后的灾难。另一方面,人类到目前为止并没有完全将技术应用到降低熵值上,更多的是拿来增加产值扩大规模,这无疑是一种自杀行为。

科学技术救不了人类,只有人类能救自己。未来生存第一要义,寡民。没出现人类之前,看自然界,哪有一种物种像人类一样扩张。处于食物链顶层的动物,数量总是稀少,因为它们只懂得打猎,不懂得开荒。它们的负熵来自低一层的动物,数量固定,自然界不会多给一分。人类自从懂得了从土地获取负熵,开始了扩张之旅,时至今日,地球人口六十几亿,已将能用作耕地的土地全部变成了耕地。未来的人类只有小规模才能发展下去,因为如果他们不放弃科学技术,他们的单位产出熵实在太高了。未来生存第二要义,发展低熵产业。古代的农业比现代农业要低熵,为什么?古人种下了种子,输入太阳能便产出了粮食,多么简洁的过程!现代农业耕种收割有机械,施肥有化肥,除草有农药,折腾一番,以钢铁、能源损耗,土地、水污染,物种减少为代价才收获一点粮食。我并不是鼓吹重返刀耕火种的年代,我相信存在第三种更低熵的耕种方式。未来生存第三要义,缩小生产规模。人类每进行一分生产,地球就多一分混乱。这个生产规模到底要缩小到什么程度?应当维持着一个足够低的限度直到人类有能力移民外星球或能和外星球交换物质为止。

我们目前能为我们的后代做的就是沿着这上述的方向前进,仅且而已。

(全文完)

参考文献

1、  第三类永动机,田松,博览群书2007年第九期。http://shc2000.sjtu.edu.cn/0710/disanlei.htm

2、  物理学-热力学第二定律。

http://eduinfo.hust.edu.cn/old/kjzz/gjcbs/06/p03/ch09/sec09/index.htm

3、  新闻报道:温州科学爱好者声称他推翻了热力学第二定律。

http://news.xinhuanet.com/st/2005-03/12/content_2686441.htm

4、  有限地球时代的怀疑论自序,田松。http://shc2000.sjtu.edu.cn/0710/youxiandi.htm

2011年7月23日 | 归档于 私语
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