■李唐/文

在遙遠的古代，在人類的理性初步開始抽象這個世界規(guī)律的時代，“熱”的概念便已在我們祖先的理論體系中刻下了深深的印記。在那時，人們更傾向于談論近乎神圣的火，它帶給我們關于“熱”最直觀的體驗，也照亮了人類文明的前途?；鸬睦每梢哉f是人類第二種獲取能量的方式，將大自然積累的化學能以熱的形式釋放出來。從這點來說，普羅米修斯的功績是值得稱頌的。

在古中國的易學體系中，“火”便作為世間萬物的五大屬性（即“五行”）之一，參與到宇宙的陰陽變化之中；而古希臘的智者也提出世界是由“水、火、土、氣”四種基本元素組成的，赫拉克利特更是認為“世界就是一團‘永恒的活火’”，“火”象征著運動和轉化。

人類自誕生之日起就在思考如何獲取能量，這便是熱學最初的形式。隨著近代科學的崛起，熱學變得更為嚴謹、可靠，直至成為經典物理學四大基石之一。在這里，我不打算告訴讀者“熱學是什么”，因為這等于提前透露了我們接下來的旅程。我更希望在結束時，讀者們能自己體會熱之世界的豐富與廣泛。

熱機與工業(yè)革命

在18世紀，隨著機械工程技術的進步，蒸汽機——這一將熱直接轉化為生產力的偉大發(fā)明，誕生了。隨之而來的工業(yè)革命，開創(chuàng)了一個新的時代。

蒸汽機是典型的熱機。首先作為循環(huán)物質的水被鍋爐加熱變成高壓蒸汽，然后進入氣缸推動活塞；產生的低壓蒸汽被冷凝器降溫又變?yōu)樗瑓⑴c到下一個循環(huán)過程中。水作為媒質將熱源的部分熱量運輸、轉化，從而使活塞運動。然而，人們只知道如何制造和使用蒸汽機，卻沒有關于熱機的普適理論，熱機的效率問題一直難以解決。這引起了法國人卡諾的興趣。

卡諾摒棄了個別熱機中的雜質因素，通過對本質的研究，構造出了一種理想模型——卡諾熱機。其循環(huán)分為四個過程：等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮。就像從高處流向低處的水流能推動水車一樣，卡諾熱機在循環(huán)過程中只與兩個溫度不同的熱源接觸（如鍋爐和冷凝器），這樣才能降低損耗，擁有最高的效率。如果用理想氣體作為循環(huán)物質，則效率僅與兩個熱源的溫度有關。

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能量是守恒的嗎？

1840年，德國醫(yī)生邁爾隨船隊來到印度尼西亞。在一次為船員進行放血治療時，他發(fā)現(xiàn)與在德國情況不同的是，病人靜脈中的血仍是鮮紅的。于是邁爾推測：這里天氣炎熱，人體不需要消耗大量的氧氣來維持體溫，所以靜脈血液中的氧含量較高，呈鮮紅色，不再發(fā)黑。但是，人體保持體溫所需的熱量從何而來呢？最可能的便是食物。而無論是肉類或蔬菜，最終都來自于植物，它們依賴太陽光而生長。邁爾最終提出：能量是不斷轉化的。然而，新的思想總是難以被認可，邁爾最后在一連串的打擊下精神錯亂。

后來，英國人焦耳邁出了決定性的一步。他利用精確的實驗得到了熱與功的定量關系，為能量守恒定律的論證打下了堅實的基礎。亥姆霍茲給出了不同形式能量間轉化的數(shù)學表達式。至此，能量守恒定律得以完成，成為物理學的基石之一。這也就是熱力學第一定律。

物理學家總是熱衷于尋找守恒量。每個守恒量的發(fā)現(xiàn)都能或多或少地加強我們對于相關因果性的理解，并根據(jù)諾特定理，引入一種全新的對稱性。比如說由于運動定律對于空間轉動的不變性，我們得到某些條件下角動量的守恒律；芭蕾舞演員在旋轉時通過收縮手臂來提高轉速，正是利用了角動量的守恒性。而能量守恒也是時間平移對稱性的體現(xiàn)。

熵與原子斗士

在牛頓運動定律被奉為權威的時代，我們描述的是一個機械的、可逆的世界。當你用手將一個小球向上垂直拋起（忽略空氣阻力），小球在最高點時速度變?yōu)榱?。如果將這一過程拍下來倒放，你會看到一個小球由靜止從高處落到手中；這在現(xiàn)實中也是完全可能的，因而是可逆的。值得注意的是，這個逆過程是完全自發(fā)的，我們并沒有從外界用繩子強迫小球做這樣的運動。倘若你將一個杯子打碎了，那只能請工匠來幫忙復原；在你有限的生命內，是不可能看到所有的碎片飛回到桌上重新組成一個完整的杯子。所以，這是一個不可逆的過程。

我們前面提到的卡諾循環(huán)正是一個可逆過程。后來，克勞修斯利用數(shù)學方法發(fā)現(xiàn)，在卡諾循環(huán)中存在著一個守恒量，并將其命名為熵。當他將該方法推廣到其它循環(huán)過程中時，熵的重要性質顯現(xiàn)了出來：對于可逆過程，熵的變化量為零；如果某過程是不可逆的，那么熵一定增加，而一個孤立系統(tǒng)的熵也一定是增大的。這便是被奉為熱力學第二定律的熵增原理。

但是，“熵”究竟是什么？如果我們不理解其在物理世界中的實在意義，那它僅僅是一個胡塞爾所謂的“不清晰”的觀念而已。玻爾茲曼認識到，熵的增加其實體現(xiàn)了微觀粒子無序性的增長，系統(tǒng)的演化也是趨向于大概率狀態(tài)，并在“最可能狀態(tài)”附近漲落。當你將一杯水放到密閉的盒子里，一段時間后最可能發(fā)生的便是水分子以氣態(tài)彌漫于盒中，而不是像小動物一樣龜縮在一角，否則霍金便不會想用槍打死薛定諤的貓了，誰知道貓會不會突然活過來呢？

玻爾茲曼一生篤信著物質的實在，是堅定的原子論者，并與“唯能論”的代表奧斯特瓦爾德進行了多年的論戰(zhàn)。他的物理思想催生了量子論，堪稱蘇格拉底式的助產術，至今依然引導著部分物理學前進的方向。

演化之始

經典的熱力學往往關注于系統(tǒng)在平衡態(tài)或接近平衡態(tài)時的溫度、壓強等狀態(tài)。這時的情況就好像是有塊山谷里的石頭，你不大用力地將它推上山坡，它總會回到谷底。系統(tǒng)的態(tài)是相對穩(wěn)定的，總是在平衡態(tài)附近漲落。但是，像生命等復雜而有序的系統(tǒng)如何產生呢？根據(jù)玻爾茲曼的理論，這類低概率的結構幾乎是不可能產生的！你也“不應該”坐在這兒看這篇文章。

古希臘的伊壁鳩魯認為，在萬物誕生前，原子間彼此保持著相同的距離，像雨滴一樣垂直下落。有一個原子發(fā)生了某種傾斜，與另一個原子相碰，從而產生一系列碰撞形成原子團，這些原子團就是我們人類和世界。也許從部分意義上來說，他是對的。

在遠離平衡態(tài)的區(qū)域，某些具有特定條件的系統(tǒng)不再對漲落具有“免疫力”，微小的擾動也會被放大，強迫系統(tǒng)進行演化。就像是山頂?shù)氖^，只要輕輕一推，便會滾下山坡。在一些化學反應中，如果控制好反應物和生成物的流入與流出，并且關鍵組分的擴散速度差別較大，就能使各組分的空間分布呈現(xiàn)出周期性變化，而某些樣式卻取決于反應中微小的漲落。比如說像貝魯索夫—扎鮑廷斯基反應（即B-Z反應），你會看到反應器中不斷出現(xiàn)美麗的波狀圖案，這便是典型的圖靈結構。在三分子模型（也叫布魯塞爾器）中，生成的分子可以作為催化劑加速自身的反應，也就是自催化。反應的顏色可能像信號燈一樣紅了又綠，綠了又紅。普利高津將它們稱為耗散結構。一面是對流入能量的消耗，一面是所形成結構的有序。我們看到，非平衡的混沌也可以成為有序之源。

耗散結構從某種意義上解釋了生命等高度有序結構的誕生。分子往往會自我組織起來，形成蛋白質等大分子，甚至是超分子。但是，這種自組織需要信息來告訴它們如何組裝。也許正像普利高津所說的那樣，“耗散結構很可能為通信引入了一種最簡單的物理機制”。柏格森曾寫道：“進化中的有機創(chuàng)造現(xiàn)象形成了生命”，其原動力便是生命沖動；從這個角度來說，耗散結構體現(xiàn)了大自然進化的意志。

“熱”的宇宙與時間之矢

當我們把目光轉移到宇宙學時，黑洞也許是個不錯的話題。原來人們認為它的性質十分簡單，是“無毛”的。然而，黑洞隱匿著極端的混亂；在等大的物理系統(tǒng)中，黑洞擁有最高的熵?；艚鸷拓惪纤固拱l(fā)現(xiàn)，黑洞的熵正比于它的表面積。這意味著，邊界與其內部的熵有內在的聯(lián)系。后來，特霍夫特和薩斯金提出，我們的三維世界很可能是來自于遙遠二維邊界表面的投影；這是驚人的想法！馬達西納則提供了一定的數(shù)學證明。     

信息論的創(chuàng)始人香農發(fā)現(xiàn)，信息越多，不確定度越少。也就是說，信息在某種程度上與熵是等價的。物質的實在性現(xiàn)在正接受著信息的挑戰(zhàn)，說不定這個世界就是一張全息圖。

海德格爾曾強調時間對于存在的重要意義。顯而易見的是，時間是不可逆的，這是一種對稱性的破缺。越來越多的證據(jù)表明，熵是打破對稱性的關鍵因素。維納在他的《控制論》中這樣寫道：“能夠和我們通信的任何世界，其時間方向與我們相同?！膘刂鹆烁卟豢膳实谋趬?，將我們回到過去的夢想囚禁起來。

也許在不遠的將來，我們能將熵壘置于物理學定律的根基中，改變自牛頓以來物理方程中時間的對稱性，將這種不可逆性實實在在地描述出來?？梢钥隙ǖ氖?，對“熱”理解的深入，將使我們在完成愛因斯坦大統(tǒng)一遺夢的道路上前進一大步。