作者 王季陶

一位写过两本热力学相关著作的资深美国教授特鲁斯戴尔(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.

整个热力学就基本上是在热力学第一定律和第二定律的基础上构建的, 因此是不是可以说没有两个物理学家对热力学的认识是相同的? 现实的情况恐怕就是这样或相差不远! 否则也不会有 “物理学界的伪科学富集区—热力学”的深切感受! 其根本原因之一就在于能不能真正把握热力学的基本概念—包括什么是热力学第二定律, 什么是热力学等, 及其适用范围!

从张文祥老师的评论”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”, 得知我国的顶级的学术刊物上的一篇有关热力学的论文: “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）。对此我在2010-11-30写了一篇博文 “熵增原理 ≠ 热力学第二定律”提出了不同的意见. 刘全慧老师作出第1个评论说: “二位先生都在说“热力学第二定律”，但是两位默认的“热力学第二定律”其实不同。” 这话的含义和特鲁斯戴尔的话应该相似! 很可能对整个热力学也有“没有两个物理学家的认识是相同的”!?

刘老师说: 这样的”科学讨论值得大力提倡”如何“提倡”? 物理“四大力学”中的“热力学”部分现状的严重性就是如此! “点名道姓”或不”点名道姓"并不重要, 重要的是实实在在地推动科学发展! 现在做到了没有? 为什么呢?

最近景荣荣的博文 “自发熵减少与热力学补偿熵产生减少是否是互不相容的观点?”中, 又点明: “邢修三老师提出的"自发熵减少"(<自发熵减少及其统计公式>中国学术期刊网cnki.net)与王季陶老师提出的"热力学补偿熵产生减少"(<现代热力学>科学网有博文介绍)似乎是直接对立的,不知我国学术界有没有讨论过此问题?建议讨论.” 前二天我查了文献, 应该是”邢修三, 科学导报, 2008. 26(9), 62-66”的论文.(以下简称”邢文”) 

看了一下, 先摘抄”邢文”的”引言”开始部分:

“0引言

熵增加定律^[1-4], 即用熵表述的热力学第二定律, 是自然界的一个基本定律. … … 按照这个定律, 整个宇宙作为一个孤立系统, 亦应达到熵极大的热平衡态, 即热寂态^[1-4]. 那时宇宙只有均匀分布的气体分子, 所有宏观机械能都转化为气体分子的热能, 不再发生任何变化. 在熵增加定律占统治地位的情况下, 孤立系统为何能产生有序结构? 生命为何能从无到有, 由简单的原子分子组成一个整体? 它们为何能抵抗熵增加定律而涌现自组织结构? … …”

再摘抄”邢文”的”引言”最后几句:

“本文 … 证明内部有相互吸引力的非平衡系统在一定条件下会自发涌现一种新的熵减少, 并给出其统计公式. 正是这种新的熵减少与熵增加定律互相对抗抵消, 导致孤立系统可能熵减少, 从而不仅使孤立系统, 亦促进开放系统涌现自组织结构.”

显然”邢文”中采用了不同的或错误的热力学系统概念. ”邢文”中说: ”按照这个定律, 整个宇宙作为一个孤立系统, 亦应达到熵极大的热平衡态, 即热寂态”的说法是完全错误的, 王竹溪老师早就明确指出: “这个荒谬推论的错误, 在于把整个宇宙当作热力学中所讨论的孤立系.” [参见王竹溪, 热力学, 1955, p.130] 即使”邢文”后面也声称“宇宙趋向热寂的推论缺乏理论依据”, 但是仍然犯了” 把整个宇宙当作热力学中所讨论的孤立系”的错误.

接着”邢文”中又把”孤立系统为何能产生有序结构”和”生命为何能从无到有”的问题紧紧联系在一起, 都作为”孤立系统”所发生的”熵减少”现象来讨论. 众所周知, 生命系统从来就不是在孤立系统中出现的. 生命系统本身就不是孤立系统.

那末, ”邢文”是不是仅仅在讨论 ”内部有相互吸引力的非平衡系统”? 即使如此, ”邢文”中也有很多错误. 王竹溪老师早1955年就在书中第九章61节介绍过“重力场的热力学”: 一开始就说: “吉布斯曾经全面地讨论过重力场的热力学, [J.W.Gibbs, Collected Works, I, pp. 144-150], 这里只作简单的陈述. 考虑在重力场中的流体(气体或液体). 即使在平衡态时, 流体内部各处的性质不是完全相同的.“ 显然, 在”邢文”中不问是什么系统, 把各种不均匀现象都笼统地称为”自组织结构”或所谓的”自发熵减少”是错误的.

王竹溪老师对“重力场的热力学”还说: “在重力场中的平衡条件是什么? 为了解决这个问题, 我们将采用26节的最后一个平衡判据, 就是能量判据. “ 显然, 在内部有吸引力系统中, 粒子相互聚集是系统有效能量减少的表现, 和没有内部吸引力系统中气体不均匀现象的”熵减少”完全无关, 也决非“自组织”现象或普里高津所讨论的“耗散结构”, 在重力场的不均匀平衡态并不需要通过能量的耗散来维持.

在王竹溪老师的”热力学”一书的开始部分就讨论了”热力学体系(或称系统)”: “我们现在来讨论如何描写一个物体的平衡态. 为明确起见, 首先讨论一个固定质量的气体装在一个封闭的容器里面. 因为气体的密度很小, 我们可以忽略重力的影响, 那末, 在平衡态时气体的密度和压强都将是均匀的, … … . 由此可见, 要描写这个气体性质, 至少要两个量, 一个是体积, 一个是压强, 这两样东西是可以独立改变的.

… … 总结起来, 在热学上对于一个物体的平衡态需要四类变数去描写才能完成, 这四类是: 几何变数, 力学变数, 电磁变数, 化学变数. … … 因此用这四类变数描写的物体, 有时称为热力学体系.” [参见王竹溪, 热力学, 1955, p.15-16] 其他热力学教科书中也谈到”热力学是以很多质点所构成的体系为研究对象”的宏观科学. 通常的宏观的粒子数是摩尔的数量级(6.023x10²³), 以符合微观粒子行为统计要求. 当然热力学也可能被推广, 例如有 “重力场的热力学”, 或研究“黑洞”等问题. 但是至今还没有听说研究”整个宇宙”的热力学被人们所接受的. 因为热力学第一和第二定律是人类日常宏观经验的总结!

应该说: 把握好基本概念及其适用范围是科学家的基本素质. 我衷心希望也坚信: 热力学一定能恢复或发展到: “多数物理学家的认识是相同”的基础科学正常局面!