孤立系统与封闭系统

19-08-19

王安良

按：昨日，独与全慧兄切磋，深受提点，写此博文，以谢之。知之为知之，不知为不知。本应引铭文、参文献、列公式，绘图、表，声、像并茂，但条件所限，能力有限。想什么就写什么，逻辑混乱，胡言乱语，博方家一笑。

作为热力学概念，孤立系统与封闭系统，谁先提出来的？无从（或较难）考证。

什么是孤立系统？

与外界没有质量与能量交换的系统既是。与之相对的概念是非孤立系统。需要思考的是：系统与外界不借助物质或能量就进行信息（甚至精神）交换？愚以为若不考虑万有引力效应，则无。通常的信息交换（注：不只是单向传递），均需消耗能量。孤立系统是个理想化的数理模型。

什么是封闭系统（也称闭口系统）？

有很多种类。与外界没有质量交换的系统，叫绝质系统；与外界没有质量和热量交换的系统，叫绝热绝质封闭系统；与外界没有质量与能量交换的封闭系统，即为孤立系统。与之相对应的概念的是开放系统（或开口系统）。思考：自然界有没有理想化的封闭系统？

在牛顿时代，热力学尚未形成，有封闭系统，但一定没有孤立系统。例如，研究地球和太阳这样的两体系统，隐含着天空背景这样一群“第三体”。而且第三体是无穷大的（至少对被研究的两体可认为无影响，但存在）。不管是苹果落地，还是羽毛上天；不管是太阳绕着地球转，还是地球绕着太阳转，绝对运动和相对静止是永恒的。

到克劳修斯时代，经典热力学逐渐形成，不仅有了封闭系统，也有了孤立系统模型。人们对“热”本质的认识趋向于“热动说”。宇宙渐渐成了比太阳系更大的概念。如果把宇宙当成唯一的，无所谓外界和边界，它就是一个最容易被想象的孤立系统，用克劳修斯们“机械”的认知，“孤立系统熵增原理”就成为热力学第二定律自然而然的推论。

再到爱因斯坦时代，经典热力学业已成熟，相对论和量子力学从无到有。人们对宇宙的认识越来越深、广、多，还认识了原子及其内部更细微的结构。孤立系统这个概念已经完全数学模型化了。宇宙究竟有多大，有限的还是无限的？至今仍是个大大的科学问题。但不能把宇宙当作热力学的孤立系统是学术界的共识。封闭系统应用越来越丰富，研究对象也越来越复杂。克劳修斯定义的熵的概念逐渐由热力学被扩展到包括数学、信息在内的其它学科。即使克氏再生，也认定现在的熵绝非他所定义的熵。熵与热力学第二定律已经成为相互独立的两个概念。“孤立系统熵增原理”只有教学“价值”，毫无研究“意义”。

封闭系统的熵是怎么变化的？

先得定义具体的封闭系统，确定系统的内部和边界，规定外界，两体模型已经过于简单了，至少是三体及以上。

当下，不仅经典热力学，而且相对论和量子力学也越来越成熟，人们好像无所不知，无所不能。据说，下一个时代就是AI统治世界乃至宇宙的时代。我暂且把当代称为杨振宁（全慧兄的偶像）时代。量子热力学，涨落理论，黑洞，弦理论，等等，越来越多的概念被人们提出、使用和发展。克氏时代总结的热力学第一定律已经被突破，被修正。换句话说，系统能量守恒往往隐含了质量守恒。对于有限封闭系统，其“质能”是守恒的。包括有生命存在的有限系统，应符合热力学第一定律好像不存在什么争议，但是否就推翻了热力学第二定律？不必说生物学教授，就是教研了一辈子热力学的专家、学者也可能心存狐疑。

这可以理解。

我们必须严肃认真地描述当下学术界的一个共识：至今为止，依然没有发现违背热力学第二定律的任何有效反例，是绝对真理。就是爱因斯坦、克劳修斯、牛顿级的人物再世，不管是无神论还是有神论者，热力学第二定律都竖立在那里，没被超越。无论采用量子力学还是相对论，不管是涨落理论还是什么大统一理论，都不行。

根本问题在哪里？

正确地认识和理解熵。各种各样、五花八门的熵虽源自热力学（确切地说热力学第二定律），现有热熵、概率熵、信息熵等等，它们之间有联系，更有区别。

近来，我们发现微分熵与微量熵的数理含义完全不同。

我们还发现，对于包含生命的封闭系统，哪怕里面的生命只是细菌或病毒，其熵或可增加、或可不变、或可减小，不仅符合热力学第二定律，甚至可以说完全靠热力学第二定律来推动和演变。

开启解决热力学相关复杂问题的钥匙是什么？

学习和研究热力学第二定律和熵。

尽信书不如无书。树立“四个”自信，抛弃西方和偶像崇拜，相信科学，不迷信科学。