從負熵到“負熵論”(2 / 3)

普裏高津和德格魯脫說生物體組織結構的增長相應於熵減少,這裏所說的熵,事實上是信息論的熵(廣義熵)而不是熱力學的熵。看來,普裏高津後來察覺到了這一點。因此他在耗散結構理論中就小心翼翼地避免使用熵減少或負熵來指有序化。他隻是說,耗散結構依靠來自環境的負熵流輸入而產生有序化,但他決不再輕易說有序化也是熵減少。這是普裏高津的嚴謹之處。他將整個耗散結構理論局限於熱力學中。即使是“非平衡、非線性”熱力學,也仍然是熱力學!

但是,普裏高津並不留戀經典熱力學的過去時代,而稱自己“一生主要著眼點在未來”,是屬於未來的樂觀派。我們透過普裏高津一係列的論著和講演,看到他正醞釀著一個更遠大的目標:如何把自然科學、生命科學和社會科學三者的發展規律統一起來,即向著廣義的大統一進軍。

要實現這個大統一的目標,不徹底突破熱力學的框框恐怕是不行的。事實上普裏高津已經從非平衡和非線性兩個方麵在向經典熱力學發起突破性的進攻了。雖然他目前還做得很不徹底,但他畢竟開始認識到信息論概念對發展耗散結構理論的意義。他自己說,他在耗散結構理論中“使用了物理—化學語言。另一些人可能喜歡說成負反饋,或自動調節等等。因此把我們的探討與信息論密切聯係將是可行的”。布雷默曼(H.J.Bremermann)說得更為透徹:“不能隻從能量的耗散來推演生物的結構,更重要的是信息。”生物係統和社會係統都不是熱力學的耗散結構而是信息係統,隻有廣義的、信息論的負熵概念才是它們共同統一的因素。耗散結構與負熵的研究如果能夠與信息論和控製論的研究結合起來,就有可能出現新的突破。

四、信息熱力學

既然熱力學熵的概念包含在信息論的熵(廣義熵)概念之中,那麼,是否可以從信息論概念來推廣整個熱力學,或者說,建立一種研究信息係統的更廣義的理論體係,而以熱力學係統作為其特例呢?下麵即試圖從這方麵進行一些初步探論。

熱力學係統與通信係統 對於熱力學過程來說,如果沒有冷熱的差異或矛盾,熱是不能傳遞和轉化的。單一的熱源既不能傳熱,也無法作功。要使作熱運動的分子朝一定的方向運動,以傳熱和作功,就得用冷源來控製分子運動的方向,使熱量從高溫流向低溫。這裏,冷源的作用是提供信息,以控製熱能轉移的方向。

從信息論的觀點來看,冷源便是一個信息源。在熱量轉移過程中,冷源接受熱源的一部分熱量,分子運動的混亂度增加。用信息論的術語來說,熱源是一個噪聲源,它對冷源發生噪擾。這樣,我們可以借用信息論的概念和術語把“熱源——熱機——冷源”所組成的熱力學係統看成是一個通信係統,傳熱過程可以看成一個通信過程。

熱力學第二定律的信息論表述方式 用信息論的術語來表述熱力學第二定律,便是:如果不從外界得到新的信息,那麼對信息所進行的操作和變換不可能使信息量增加,或者說,不定度不可能減少。熱力學第二定律的信息論表述方式的含義更廣,可應用於並非熱力學過程的任何信息傳遞或變換過程,因此,可以稱之為廣義的熱力學第二定律。

熱和功 熱是質點不規則的隨機運動,是一種未受控製的能量形式。而能量作功時則是一種有規則的形式,能量以功的形式傳遞可以受到控製和管理。可以說,熱是不帶有信息的能量形式,而功則是一種帶有信息的能量傳遞形式。因此,當利用冷源通過熱機而提供信息,以控製和管理熱源的能量傳遞方向,就可以獲得功。當功這種帶有信息的能量傳遞形式受到噪擾時便更會損失信息而轉化為熱,例如摩擦這種不規則的機械運動形式就會產生“噪聲”,使信息損失,因而使功轉變為熱。

熱力學第二定律的信息論表述方式告訴我們,任何自動進行的熱力學過程總是要損失信息的。因此,功可以損失掉它所攜帶的全部信息而完全轉變為熱。而在不引起外界其他變化的條件下,熱卻不能全部轉變為功,這是因為在沒有外界提供附加信息的條件下,信息的損失無法得到補充的緣故。同樣,電能、光能、化學能等等,都是帶有信息的能量形式,它們都可以全部轉變為熱,但在外界不提供附加信息的條件下,熱就無法全部轉變成其他任何一種攜帶信息的能量形式。

束縛能和自由能 能量的傳遞和轉化必須有信息的控製才能進行。例如兩個溫度相等的物體進行熱力學的相互作用,當外界不時它們作功時,由於缺乏信息,熱的傳遞不可能進行。但這兩個物體都含有熱能,這種由於缺乏信息而無法傳遞和轉化的能量,便是束縛能。廢熱就是一種束縛能,除非另外向它提供信息,否則便無法利用。

當二物體間存在溫度差時,它們進行熱力學的相互作用,就會產生單向性的熱量傳遞。這是因為較冷的物體向較熱的物體提供了信息,因而控製較熱的物體的熱量向較冷的物體轉移。能夠轉移的熱量部分便是“”(exergie)。另一方麵,較冷的物體本身也具有一定溫度,具有內部的分子隨機熱運動,在與較熱物體的相互作用過程中又不斷受到較熱物體的噪擾,因此它不可能提供完全的信息。當兩物體達到溫度相等的熱平衡狀態時,便不再有可以利用的信息,因此能量傳遞就無法再進行。這時的為0,隻有束縛能或“”(anengie或anexergie)了。

在熱力學中,自由能F=U-TS,式中U是總內能,由於熱力學過程受分子熱運動本身的噪擾而損失信息,也就是由於熵S的存在,使得其中TS的部分無法進行傳遞和轉化,TS這一項即束縛能。

可逆過程與不可逆過程 對於可逆過程,當其沿正方向進行後,又沿反方向進行而返回初態時,不引起周圍環境的任何變化,能量傳遞或轉化的能力毫無損失。因此,可逆過程實質上是不損失信息的過程。

理想的卡諾可逆熱機,因為其中不存在任何漏氣、摩擦和其他任何損失,因之也不損失信息,故能可逆地循環運轉。熱力學中設想的所謂準靜態過程,過程進行的每一步都處在連續的平衡狀態,變化無限小地進行,過程進行的時間無限長,這樣,在每一步中都幾乎沒有發生信息的損失,因而是可逆的。這相當於信息論中的“正規變換器”或“非奇異變換器”。

不可逆熱機由於有把功轉變為熱的摩擦存在,摩擦所導致的分子隨機熱運動對過程進行中的信息傳遞發生了噪擾,信息受到損失。因此不可逆熱機的效率小於可逆熱機。不可逆熱機有信息損失,相當於信息論中的“非正規變換器”或“奇異變換器”。

五、信息與能量

極好的說明。對於耗散結構,輸入的負熵也是與輸入的能量成正比的。但對於信息係統,輸入的信息與輸入的能量之間卻不存在這種比例關係。例如一部收音機或電視機,它輸入的信息是通過天線接收的電台或電視台的載波信號,信號的強弱與信號本身包含的信息量不成比例關係。輸入信號的信息量與電源供給的電源之間也不存在比例關係。這裏,從電源輸入的是熱力學的負熵,而從天線輸入的是信息論的負熵。係統內部的有序化,例如顯像管屏幕上圖像的有序化或喇叭聲頻振動的有序化,也可以用信息論的負熵來描述。這種有序化雖然要以電源的熱力學負熵輸入作為先決條件,但兩者之間卻並不存在因果關係。從天線輸入的信息論負熵才是產生這類信息係統內部有序化的原因。正如人腦活動的有序化與吃飯(供應能量或熱力學的負熵)之間不存在因果關係一樣。

消耗不同的能量可以傳遞同樣多的信息,而不同的信息量卻又可以用同樣多的能量傳遞出去。例如用不同的功率來拍發同一份電報,它們所傳遞的信息相等,消耗的能量卻不同;而信息量不同的兩份電報,卻又可以用同樣的功率拍發出去。因此,為節省能量計,實際的信息係統往往都是用很微量的能量來傳遞極其大量的信息。無論是工程技術中的通訊係統和自控係統,還是大自然本身所造成的生命係統,都是如此。例如對一部電子計算機輸入很多指令,就隻要消耗很少的能量。動物體的神經係統用來指揮肌肉活動所消耗的能量,與肌肉活動本身所消耗的能量相比,就簡直小得微不足道。

信息係統從信息輸入裝置(例如天線)輸入由很小的能量所攜帶的大量信息,這大量的信息又可以控製電源所提供的大量能量的變化,例如轉化為電視機熒光屏上的有序化圖像。自控係統往往還能控製更大得多的能量變化。這就是用小能量控製大能量的原理,或信息放大器原理。

對於熱力學的耗散結構,其內部的有序化是由單一的熱力學負熵流而引起的,除此之外,它再沒有其他的信息流輸入,這就是普裏高津之所以能夠避開信息概念的原因。也正因為如此,輸入的負熵和能量之間才存在確定的比例關係。這就是說,熱力學的耗散結構中不存在信息放大機製。但對於信息係統,熱力學的負熵流(例如電源供給)與信息論的負熵流(例如天線輸入的信息流)分開了,出現了信息放大機製,係統內部的有序化程度是輸入的信息流所引起的,與電源所輸入的負熵之間就不再存在因果關係和比例關係了。