过去的200年，人类社会的发展已经带来了一系列令人难忘的技术奇迹。这些由发明创造所造就的奇迹，以它独有的方式渗透到了工业、家庭及我们生活的方方面面。在我们身边充斥着各种“省时”的机器，但留给爷爷、奶奶、父亲、母亲乃至我们自己的时间却越来越少；在我们的这个世界里，人类无所不能，似乎没有什么办不到的事情，但人娄的生活却又面临来自微生物如病毒、病菌的威胁，它们正以一种非常复杂的、无法预测的方式侵害人类；伴随着经济全球化和世界人口的稳定增长，社会经济和环境的无序程度也在增长；在我们的技术能力增长的同时，技术带来的副作用和不可预汁的后果等问题也在增长。

在这本书中，物理学家、信息技术学家杰克·霍金凯(Jack Hokikian)通过热力学定律——能量守恒定律和熵定律——解释了我们所面临的困境。这些定律可解释字南间昕有过程，包括我们的技术应用和日常活动等。霍金凯博士从多个角度综台地阐释了这些重要的自然科学基本定律，特别是将其应用到社会环境保护和我们的日常生活中，并向我们证实，通过深入了解热力学第一、第二定律能够荻得指导我们吕常生活和决策的人生观。

我们所处的世界正迅速变化，变得越来越复杂，越来越无序。污染越来越严重，经济处于无序当中，犯罪和社会冲突频繁发生，武器倍增并四处扩散，我们的生活变得狂躁、混乱无序。尽管人们一直在对污染加以控制，但生态环境仍处在危机当中：空气当中仍弥漫着有毒气体，周围环境仍四处堆放着有毒化学品、核废弃物，饮水和食物中仍残留着化肥和杀虫剂。尽管人们一直坚持不懈地试图根治令人讨厌的病毒、细菌和有害昆虫，但它们仍肆无忌惮地侵袭着人类，而且日益猖獗。

面对上述困惑我们或许能从热力学原理中找到解释。热力学第一、第二定律适应于人类社会所有领域——从物理学、化学、生物学到经济学、社会学及人的思维——活动的全过程，也就是说人类社会的所有活动都受热力学第一、第二定律支配。由于历史的原因，最初研究这些定律是在研究热和热能的过程中发现的，因此被称为热力学定律，然而，它们同样也是对人类非常重要的、具有普遍意义的自然定律。

本书从一个物理学家的角度出发，阐述怎样将热力学定律应用到人类社会所有领域，包括：化学、宇宙学、医学、教育、农业、经济、技术和生态学。  一旦掌握了热力学定律的精髓，就能弄清我们现在所面临的一些从经济到环境再到社会的、日益复杂的全球性问题。这些热力学定律知识的精髓将帮助我们了解自然界一切活动的运转过程，以使我们能够在一个和谐的自然环境中生活并与自然和谐相处。

无论是重视还是轻视热力学定律，真正要在热力学定律基础之上来解决我们面临的许多问题还是非常困难的。因此，一个非常重要的问题是，我们应真正了解、熟悉这些定律，了解这些定律对我们生活、我们社会和我们环境的影响。这样才不会做出与自然规律相悖的决策。

早在人类知识被划分成许多专业之前，科学和哲学的目标是一致的：探求自然是怎样运动的真理，以达到发现自然基本规律的目的。通过这一过程对自然以及人类在自然中所处的地位提出综合、统一的自然观。然而到今天人类知识留给我们的只有哲学而没有科学，科学已被技术一实用科学所取代。正像一位科学家所描述的：关心的是技术，追求的还是技术(listen to the technology and find out what it is telling you)。但技术是不能向我们提供任何自然法则的，法则必须来源于一些真实的人生哲理，因此，我们真还不得不回到热力学定律上来。  技术曾承诺给我们一个新的世界，在这个世界里我们将得到对自然和环境的控制力；将得到源源不断的、低廉的能源和自然资源；将享受无病害干扰，健康并充满活力的生活。但这些都没有兑现，其真正的原因是：我们是生活在一个热力学世界，一个技术无法左右、只能由热力学定律来控制的世界。

尽管这些热力学定律早在150年前就被发现，但大部分人——包括受过教育的人却对它们并不十分了解。例如阿尔·戈尔(AI Gore)在他的《维持地球平衡》(Earth in the Balance)一书中，仅仅是提到热力学第一定律，而对人类影响最大的自然定律之一——热力学第二定律没有提及。

热力学定律——特别是热力学第二定律——在大量文献中被频繁误解、歪曲，造成非常混乱的概念。在这本书里，许多常见的误解，包括大量与它相悖的、被篡改的错误概念得到澄清、更正。在第一、第二章里用一般术语阐述了热力学第一、第二定律的主要思想，附带介绍了一些历史背景，为本书的主题提供了科学基础。

在今天变幻莫测的世界里，许多技术、理论、意识形态、时尚和信息都迅速过期、被摈弃。而热力学定律却长盛不衰、保持稳定，不仅经受了时间的检验，而且随着越来越多的实证数据的积累而变得越来越有说服力。

热力学定律是建立在两个热力学量：能量和熵的基础之上的。

第一定律是能量不灭定律。意思是宇宙中的能量的总量是恒定不变的，是一个恒量。这喻示宇宙中的能量既不能创造也不能被消灭，但是能够从一种形式转换成另一种形式。俗语“有失才有得”就是源于此定律。

第二定律是关于熵的定律。它规定在所有过程中熵的增加是不可逆的。物理学家把熵作为度量一个热力学系统无序状态程度的量度单位。如果用经济学术语来说，第二定律可看做自然界的一个强硬的收税员，它索要的税款取自于由热力学系统无序状态增加而导致的所有我们的活动。由增加熵，也就是通过税收，第二定律控制和指挥宇宙所有运动过程继续进行的方式、途径。因此，第二定律在所有自然定律中享有最高地位，对第二定律我们应从全局的、整体的角度理解。

不论是物理学家、生物学家、经济学家、心理学家，还是政治家；也不论是保守党还是自由党，或中间派；不论是技术人员、环保主义者、资深生态学家，还是生态女权主义者；不论是非洲人、美洲人、亚洲人、澳大利亚人还是欧洲人；不论是资本主义者、共产主义者还是社会主义者都会感受到在我们之中和我们周围各种累积在一起的熵对我们施加的影响，这些累积的熵来自于自然的、社会的、环境的、经济的和思维的热力学系统，有了这种感受倒是对我们弄清熵的方方面面提供了便利。

30年前，生态学家迪博(ReneDubos)就指出：“技术和其他实用性科学一直被过分吹嘘。”这位著名的生物学家认为：科学在评判知识真伪、客观、合理、有创意地评判社会进化带来的问题、促进知识进步中发挥的作用越大，那么科学对人类就越有用。但他指出：“在大学和研究所里科学即使没有被完全忽视也是处于一个非常低的地位，人们对大量科学技术的重要成果、结论已介入到人类生活和其生存的环境视而不见。”30年后的今天，迪博所说的这种状况依然如故。

不幸的足热力学定律也遭受如此境遇。虽然热力学定律能够帮助我们理解并解决今天所面临的、特别是那些由人类自己制造的问题，但热力学定律——包括热力学原理中重要的、具普遍意义的不可逆概念，如自然过程的不可逆性——一直没有受到应有的重视。试想我们如果将人类世界置于一个由人类本身控制的可逆(能进行一系列向前或向后变化的)系统，而不是一个受热力学定律约束的不可逆系统来进行观察，由此而得到的观察结果误差会有多么的大。

一旦掌握、熟悉了热力学定律，许多早前不可理解的现象和似是而非的观点就会豁然开朗。人们会明白为什么时间长河只能淌过一次，为什么人的年龄不可逆转，为什么人们的生活变得越来越复杂，越来越不确定，为什么人类将经历“未来的冲击”，为什么身边省时的发明越来越多而自己拥有的时间却越来越少，为什么有许多承诺和期望没有兑现。同时我们也能预知未来的危机。

现时的教育、经济制造了大量的专家。然而，我们在各自专业领域学到的概念——虽然是一些有用的、基本的知识，都只限于狭窄的范围，这种教育并没有赋予我们全局、综合地观察世界的能力。相反，有关热力学的科学知识——包括由它衍生出来的所有定律的素质训练，会使我们学会全面地看问题，自然也会促使我们去考虑全局。以往我们在判断上酿成大错，原因在于我们仅仅考虑了热力学系统的局部。

为解决当前各式各样而又互相联系的问题，需要一类可以通用的、基本的自然法则，这些法则可应用到所有活动和过程之中。如果我们找到并熟悉这些法则，我们就拥有了一个讨论并解决经济、管理、教育、健康状况、交通、技术和生态等一系列紧迫问题的基础。

第一章 自然第一定律

 一、什么是能量?

 二、热力学第一定律的诞生

 三、永动机的不可能性

 四、能量的放射性与持久性

第二章 自然第二定律

 一、新科学的诞生

 二、热力学第二定律的诞生

 三、自然过程的不可逆趋势

 四、什么是熵?

 五、麦克斯韦妖企图摧翻熵定律

 六、熵如同“时间的箭头”

 七、波耳兹曼的熵推导式

第三章 自然定律的作用

 一、无情的增熵

 二、宇宙从时钟般规律运行到“过热死”

 三、热力学与宇宙论

 四、熵——一个度量未知因素的量

 五、人类——一个开放的热力学系统

 六、为什么我们的年龄不可逆转

 七、与第二定律相悖的进化是一个奇迹吗?

第四章 知识和熵

 一、知识经历了热力学转化

 二、教育系统的热力学观点

 三、知识的无序状态

第五章 处于高熵中的美国

 一、美国的高熵生活

 二、所有产生熵和浪费时间的领域

 三、淹没在信息的汪洋

 四、选择太多，时间太少

 五、我们最终会把我们自己从机器中解放出来吗?

第六章 工—农联合体

 一、现代农业和热力学第二定律

 二、杀虫制

 三、环境中的土壤侵蚀和退化

第七章 热力学第二定律的真正意义是什么?

 一、反思自然资源和能量的可用性

 二、熵：所有自然过程的最高管理者

 三、温室效应

 四、高技术环境中的熵

 五、我们能够“控制”自然过程吗?

第八章 经济，环境和热力学定律

 一、经济学理论

 二、计算机和技术经济学

 三、经济学环境外部因素的概念

 四、把经济学当成一门应用科学

第九章 为什么许多事物在我们未认识它之前看起来如此完美

 一、为什么许多期待被幻灭?

 二、核聚变将给人类带来什么?

 三、空间：无限吗?

 四、发展中的全球一体化和熵

第十章 以热力学眼光看世界

 一、“事半功倍”的概念

 二、对变化和科技“发展”的重新审视

 三、区分低熵行为、高熵行为及生活方式

第十一章 热力学法则

 一、科学教我们如何生活了吗?

 二、始终如一地传达科学信息的必要性

 三、让熵成为我们日常用语的一部分

 四、热力学与知识的统一

注释

索引

三、永动机的不可能性

从摩纳哥著名的赌城蒙特卡洛到美国的拉斯韦加斯和大西洋城，成千上万的人，穷人和富人都在赌场的大转盘旁，转动轮盘试试他们的运气。一些人赢了，一些人输了。输了的人会从概率理论中找出失败或暂时运气不好的原因，而那些赢了的人将感谢法国哲学家和数学家布勒斯(Blaise，P.1623～1662)，就是他在研究永动机的过程中发明了转动轮盘和轮盘理论。

当然，早在17世纪能量守恒定律——排除永动可能性的定律——还没有得到承认，直到1847年一个叫亥姆霍兹的人，依据所有制作永动机的尝试都归于失败这样一个事实，创立了能量守恒定律。

亥姆霍兹——第三个独立发现能量守恒定律的人——是一个哲学家和具有科学头脑的人。因为父母很穷，使他感到从事纯科学研究难以维持生计，于是他学习生理学当了一名医生，在德国一些大学里教生理学课程。1847年26岁的他向柏林物理学会提交了一份有关能量守恒定律的论文。尽管亥姆霍兹就能量守恒进行了详细的物理学论述，但并没引起人们的注意。他把论文投到德国的《物理学年报》(Annalen der Phyisik)对其关注的恰恰是他观点的对立面，引起一片反对声，他受到了与迈耶同样的待遇，被拒绝了。同迈耶一样，他也把他的论文以个人名义印成小册子在民间公开散发。

由于亥姆霍兹不能为他的能量守恒定律提供基本原理，于是他采取逆向证明法：根据物理学家们在总体上都认可所有制造永动机的尝试都归于失败这个事实，能量守恒是能够成立的。他还强调，N·卡诺(Carnot Sadi 1796～1832)和克拉佩斯(Clapeyron Emile 1799～1864)实际上已用同样的论据，证实了后来被人用实验数据证实的多个重要的热力学定律。亥姆霍兹拿出的最后一个支持他观点的杀手锏是：早在1775年巴黎科学院就做出决定，不再接受有关永动机观点的申述，并将其归于不可实现一类学术领域范畴。

亥姆霍兹指出热和功是能量的不同形式，它们的总量总是保持不变，这是热力学第一定律的实质。能量守恒定律适用于涉及功和热的一些现象，它虽不能测算出能量具体的数量，但能分析出热力学系统内能量的变化是增加还是减少。该定律说明一个系统的内部能量(△E)的变化等于产生这种变化所吸收的热(Q)加上所消耗的功(W)，即：△E—Q+W。

机械功的计量单位是用功乘以距离，热的计量单位是卡，两个物理量不能相加，除非它们的单位相同(或者已知他们的等量值)。因此，当亥姆霍兹第一次听说焦耳已测出热功当量，他立刻被焦耳的成就迷住了。他马上把热功当量值作为支持他的能量守恒定律的依据，并且用精确的语言说明迈耶的推算与焦耳的实验结果的高度吻合。

物理学常常陷入未知的困境，为解决一个物理学问题，往往因为该物理学问题又包含有几个物理学上的未知问题，物理学家先要解决那几个未知问题才能解决原来的目标问题，否则一切就都无法解决。在物理学界，能量守恒定律常常能提供解决一揽子问题的方程式。

正是出于这一目的，亥姆霍兹将能量守恒方程式应用到许多实例中，证实这条定律的重要性和实用性，解决了一些原来未能解决的物理学问题，并提出物理学最重要的任务应当是充分验证这条定律。因为当时亥姆霍兹还不是一个有影响的物理学家，最初他的建议被处之高阁，但他的建议确实为物理学指出了一条正确的发展途径，后来物理学家们的确是按亥姆霍兹所建议的那样做了。直到今天，物理学界认为亥姆霍兹是那个时代顶级理论物理学家之一。1871年亥姆霍兹被柏林大学聘为物理学教授(成为普朗克的老师)。后来他在生理学、解剖学和物理学的几个分支学科做出了许多有价值的贡献。1894年亥姆霍兹去世。  亥姆霍兹、焦耳和迈耶的大多数思想和方法后来被科学界接受。但不同的是，一开始亥姆霍兹和焦耳在没得到认可后，他们并没有像迈耶那样受到嘲笑、奚落。迈耶在他自杀未遂以后便疯了，被送到疯人院受到非人待遇。两年后，迈耶从疯人院里出来，但他的精神状态再也没有恢复过来，从此迈耶从科学界隐退长达十年，在这十年里，有人说他在家乡海尔布隆种植他的葡萄园。

一些科学家和艺术家是在他们去世以后才受到人们的赞誉的，迈耶的经历就是这样。在他富于思考、勇于创新的时期，被周围同行奚落、嘲笑和挑剔，直到他生命的最后才得到世人的承认和赞誉。第一个承认迈耶的是亥姆霍兹。1854年在一个有许多物理学家出席的公开学术会上，亥姆霍兹向与会人员介绍了迈耶最早期的开拓性工作，并认为迈耶是最早的能量守恒定律的提出者。后来爱尔兰物理学家廷德尔(Tynddall，J.1820～1893)和德国物理学家克劳修斯(Clau—sius，R.1822～1888)运用法国物理学家勒尼奥(Regnault，H.v.1810～1878)发明的最新热量专用测量方法重复了迈耶的计算，他们发现迈耶的计算与焦耳的实验结果完全相同。迈耶不幸的真正转变是从廷德尔正式接受了迈耶的论文开始的。1862年廷德尔在英国皇家研究会(Royal Inst，itution)为迈耶提供了一个迈耶工作专场演讲会。在此之前克劳修斯给迈耶写了一封信，赞誉了他的工作，并告诉他有关廷德尔为他举办演讲会的消息。有关迈耶的论文在英国得到承认的消息很快就传遍了德国，这个一直被忽视、嘲笑和凌辱的人，最后突然得到科学界的认可和那么多本应得到的荣誉。迈耶接受了由wnrtleml?ey国王授予的彭赛列奖[以法国数学家彭赛列(Poncelet，J.V.1788～1867)名字命名的一个奖项]。1871年英国皇家学会授予他科普利奖章。1878年这位备受“能量说先驱者”痛苦的人，以一个受人尊敬的老人的身份离开人世。

按照热力学第一定律，一个热力学物体，只有当该物体从外界接受到的总能量(热+功)为正时，才能够增加它内部的能量。我们所建立的机器对外界做功，按热力学第一定律在亥姆霍兹的△E—Q+W公式中，这个功是一负数。如果一个热力学系统没有从外界吸收能量或没有对外界做功，那么这个热力学系统内的能量保持不变。这就是能量守恒定律。热力学系统可以是一个物理学的、化学的、生物学的，或者是其他任意一种系统。热力学第一定律对事物的种类没有任何限制，每一事物都可以是一个热力学系统：从一个热水瓶到人体、房屋、化工厂乃至整个宇宙。热力学第一定律因其可以统一一切的威力，被称为自然科学的最伟大的概括。

从迈耶、焦耳和亥姆霍兹时代以来，物理学中新领域大量出现，物理学越来越抽象，在某些深奥的领域变得越来越精确，而热力学第一定律经过这么多年的检验，其结果基本上都相同。热力学第一定律是一个基础的自然定律。热力学第一定律正像德国物理学家普朗克(Planck，M.K.E.N.1858～1947)所赞誉的：“其数据是经过人类一个世纪实验反复验证的。就是说‘绝不可能……获得永动机’，即制造一台发动机可周而复始地做功或产生动能，而没有任何消耗，这是不可能的。”

永动机一直是人类的梦想，盼望天上掉馅饼似乎是我们永恒的愿望。直到今天，某些人，某些地方还在继续搞这种永动机的发明。永动机是一个永久和世代相传的象征，留给我们的是没有开始也没有结尾的幻想。

热力学第一定律给我们一个什么是我们能做，什么是我们不能做的框架：我们能将能量从一种形式转换成另一种形式，但不能创造或毁灭它。发现自然定律的目的是帮助我们排除不可能性，最大限度保存我们的有用资源，避免做大量的无用功。

P7-10

写给中国读者的话

很高兴能有机会就我的《无序的科学》中文版的面世为中国读者写点什么，能与一个世界上人口最多、具有5000多年文明和传统历史的国家的人民进行对话、交流，确实令我感到十分荣幸。

在此我想感谢湖南科学技术出版社，感谢该社的副社长及本书的编辑刘堤地先生为本书出版的方方面面所提供的极其有益的帮助。我也感谢译者王芷为翻译本书付出的辛勤劳动。

由于全球经济一体化、自由贸易、人口增长和科技进步，我们的世界正发生着巨大的变化而迅速向前发展。在过去的几十年里，科技和经济的发展已成为整个世界的驱动力，带动着一些发展中国家，特别是中国，进入一个工业化、现代化的进程，使人们的收入增加，生活水平提高。在这个过程中，中国已成为世界一支主要的经济力量。

但是与此同时，环境和社会经济学问题——常称之为“挑战”——也在全世界出现。这些问题并不是偶然意外，而是热力学第一、第二定律——即在本书所说的能量定律和熵定律——的必然结果。这两条自然定律一直并仍在继续控制着我们宇宙的所有事物，包括人的行为。它们对我们的影响已成为我们人类整体的不可分割的一部分，因此了解这两条定律运行的规律，并对它们给予高度的关注将是十分有益的。

我花费20多年的时间，对热力学的概念进行一些思考、探索和研究。尽管从那时起到现在，热力学的概念已有了很大的变化，但热力学定律仍然适用于我们，不仅仅是仍然适用，而且甚至对我们今天更适用，因为世界人口、能源消费和世界贸易问题已大大增加，环境、人类健康和社会经济学系统面临着更紧张的局面。

自然界一直为我们人类提供着丰富的能源和资源，但是，热力学——通过热力学第二定律——告诫我们，能源的利用不是免费的，被利用的每一种能源都会在环境留下它们各自的影响或造成一定的后果，常常带来一些生态学、社会学和对人类健康不利的问题。因此，社会经济学系统需要认识到这一事实并建立相应的政策。

在最近的的一段历史中，因为人口的增长，人类转到高强度农业的耕作方式，包括机械化、灌溉、使用化肥和杀虫剂等一些方式。这些技术虽然有助于增加单位面积的粮食产量，但是也破坏了生物圈的正常循环，因此也助长了环境熵——环境的无序——的增加。这些技术已导致土壤侵蚀加剧、地下水和水源被污染。而且杀虫剂的使用带来了一系列涉及公共卫生和环境的令人头痛的问题。历史的教训说明，每一项应用科学——技术——都会产生一定的副作用，历史学家称之为：技术的无意结果。在许多情况下，这些副作用——无序——都带来许多的我们每一个个体和社会群体都不能忽视，而是必须重视的社会问题和环境问题。  随着我们对热力学定律——特别是热力学第二定律～的知识的增加，我们会越来越意识到我们所有行为可能带来的后果。热力学有助于我们了解自然怎样运作，了解人与人之间、人与自然之间该怎样和谐共处，有助于我们构建一个胡锦涛主席倡导的“和谐社会”。

杰克·霍金凯博士

于美国加利福尼亚洛杉矶