熵增原理 ≠ 热力学第二定律

 众所周知，也可能是“众所不知”：熵增原理 ≠ 热力学第二定律！

 

在我的以前的博文“物理学界的伪科学富集区—热力学”中指出：“由于上百年的迟缓发展，（热力学）成为现代科学中的一个典型的欠发展学科。… 热力学成为物理学界或者更确切地说是科学界的一个不科学和伪科学的富集区”。

 

“热力学第二定律”往往是首当其冲。我在此用了[众所周知，也可能是“众所不知”]的说法，可能不一定能立即被很多人所接受。然而，方舟子先生在今年2月10日在《中国青年报》发表的“以热力学定律的名义”一文中就引用过英国科学家和小说家C.P.斯诺的著名著作《两种文化》中的一段话：

 

“我曾经多次参加过一些聚会，与会者根据传统文化的标准都被认为受过良好的教育，并且他们一直兴致勃勃地对科学家没有文化修养的现象表示难以置信。有那么一两次，我被激怒了，问与会者他们当中有多少人能够描述热力学第二定律。他们的反应很冷淡，回答也是否定的。然而，我所问的问题，在科学领域其程度相当于问：你们读过一本莎士比亚著作吗？”

 

方舟子先生还说明该书指出“科学与人文学在现代社会中被割裂成两种无法交流的文化，成为解决世界问题的主要障碍。”

 

然而如今让我吃惊的是：“热力学第二定律”在现代的科学家之间，甚至在物理学家之间也似乎成为“被割裂成两种无法交流的文化，成为解决世界问题的主要障碍。”这当然不是“空穴来风”，具体就是在我国的顶级的学术刊物上，看到了一篇：“张启仁. 热力学第二定律的一个普遍的信息论证明. 中国科学 G 辑: 物理学力学天文学，2008年第38卷第6期, 781~784”（以下简称“热”文）。

 

在“热”文的正文第一段就提出了“熵越高的宏观系统实现的可能性越大”的基本观点。这实际上就是引入了一个简化的基本假定：所讨论的系统仅限于是孤立系统，不是普遍的！这一假定是和“热”文的题目“热力学第二定律的一个普遍的…证明”含义相悖的，在“热”文靠近结尾处更是直接把熵增原理完全等同于热力学第二定律：

 

“定理: 一个孤立系统熵的变化只能增加不能减少.

这正是热力学第二定律. 此定律因而得证.”

 

这是一个很基础性的差错。必须指出：“熵增原理”仅仅适用于孤立系统，而“热力学第二定律”是适用于任何宏观系统的人类大量经验的总结。

 

结论：熵增原理 ≠ 热力学第二定律！

 

此外，我同意张文祥老师的意见“热力学第二定律的一个普遍的信息论证明中对信息的定义值得商榷”。“热”文引入的“熵定义”改变了克劳修斯原来的“熵”概念是一个“假定”、还是一个“公理”、两者是否等价、来源于何处、是否经过“证明”等必须首先有一个明确的交代。“热”文中提到的“玻尔兹曼的“H-定理是关于趋向平衡的一个经典证明”中是否也是以“等几率原理”为前提等，也必须有明确的交待。否则这些所谓的“证明”都不是独立的。所有这一些“假定”、“前提”等在热力学中是从来就不需要引入的。

 

至于“热”文中“… 在社会统计中，也是真的。这便在极普遍的情形中证明了热力学第二定律。”至少社会是一个开放系统，“熵增原理”是肯定不适用的。在“热”文中，还多次混淆地出现“孤立系统”、“孤立的宏观系统”和“证明是普遍的”、“社会学和经济学”等词汇，应该就是方舟子“以热力学定律的名义”一文中指出的同类错误。

 

一位资深的美国热力学家特鲁斯戴尔(C. Truesdell, 1919--2000)说过:

 

每一位物理学家都确切地知道什么是第一和第二定律, 但是根据我的经验没有两个物理学家的认识是相同的.

 

这句话的意思大概就是和本文的意思差不多：说的就是“众所周知”和“众所不知”的热力学第二定律！

 

附上杨新铁博文后面的相关评论或讨论：

 

[5] 标题：

发表评论人：jitaowang [2010-11-29 9:26:15]   

谢谢张启仁老师在3楼的回复。但是“热力学第二定律原本是对孤立系统而言的”这句话不符合客观事实。热力学第二定律的文字表述是1850年前后由克劳修斯和开尔文提出来的。而克劳修斯不等式和熵增原理是1865年才得到的。在克劳修斯的1865年著名论文中把热力学第二定律说得更透彻。熵增原理仅仅适用于孤立体系，不能和热力学第二定律相混淆！熵增原理是孤立体系的个例，在这一点上和“普遍的证明”背道而驰。

 

[4] 标题：

发表评论人：理论思维 [2010-11-28 17:23:33]   

请教张启仁先生,您的下述论断的依据.

"当今物理学(不论是经典的还是量子的)中信息量的普遍守恒,这使我们可以探讨今后的物理学,乃至其它科学,如经济学,社会学,脑科学,...,等等热力学第二定律适用的可能性."

 

[3] 标题：

发表评论人：[游客]zhangqr [2010-11-28 10:20:24] ip:124.205.76.*  

王先生

对您的意见答复如下,

1.“熵越高的宏观系统实现的可能性越大”不只是“一些教科书”中的话,而是统计力学以多种方法证明了的结果.一个宏观系统不论是否处于平衡态都定义有熵,它与该系统所处的态实现的概率有明确的关系,这种关系直接表明“熵越高的宏观系统实现的可能性越大”.这里引用这句话是为说明它不足以表示热力学第二定律一定正确,热力学第二定律的正确性还需证明.

2.热力学第二定律是一条实验定律,它的正确性是由实验判断的.但这不表示不需要理论证明.就像“三角形三内角之和为一平角(一百八十度)”这一陈述每次实测都正确,还需要理论证明一样.这一证明明确了它为什么总是正确,那就是欧几里德几何的平行公理在我们的日常生活中是正确的.由此人们发明了非欧几何,其中平行公理不正确,因而“三角形三内角之和为一平角”这一陈述也就不再正确.这在现代引力理论中已成常识.我们证明热力学第二定律时明确了它的正确性源于当今物理学(不论是经典的还是量子的)中信息量的普遍守恒,这使我们可以探讨今后的物理学,乃至其它科学,如经济学,社会学,脑科学,...,等等热力学第二定律适用的可能性.

3.热力学第二定律原本是对孤立系统而言的,它的陈述就是“孤立系统的熵不可能减少.”人们已熟知非孤立系统的熵是可以减少的,这不与热力学第二定律矛盾.热力学第二定律讨论的就是趋向平衡的过程,这里并无”背道而驰”的问题.

张启仁

 

[2] 标题：

发表评论人：jitaowang [2010-11-27 9:54:08]   

谢谢，1楼张文祥老师寄给我的张启仁论文“热力学第二定律的一个普遍的信息论证明”（以下简称“热”文）资料（发表在中国科学G, 2008年38卷6期781页）。我偏重于研究宏观领域的热力学，对信息论并不很熟悉。但是还是能看出问题！

“热”文第一段中，引用一些“教科书”中“熵越高的宏观系统实现的可能性越大。” 这句话是有严重问题的。这句话本身就是已经悄悄地引入了一个假定：研究对象是一个孤立的平衡系统！从“热”文第一段的接下去的文字中，也多次重复“趋向平衡”、“孤立系统”等词汇都和该文的题目中的“普遍...证明”背道而驰的。然而热力学是研究任何宏观系统的，因此热力学第二定律不是从信息论或其他方程能够得到“普遍的证明”。热力学第二定律是人类大量宏观经验的总结！

 

[1] 标题：

发表评论人：理论思维 [2010-11-25 19:48:37]   

热力学第二定律的一个普遍的信息论证明中对信息的定义值得商榷.