“麥克斯韋妖”問題的實質也就是用信息來控製能量的轉移或變換。1929年齊拉德(L.Szilard)發表了一篇討論熵的論文,被認為是申農信息論的先導,其中就提出麥克斯韋妖要減少它所控製的係統的熵,它就要付出代價——本身產生熵增加。1948年,維納在《控製論》一書中也指出,“麥克斯韋妖在動作以前,必須收到有關前來的粒子的速度和位置的信息”。到50年代,布裏淵應用熵的信息論解釋,指出麥克斯韋妖要能分辨粒子運動速度的大小,就必須從外界獲得信息,引起環境更大的熵增加。或者說,麥克斯韋妖必須從環境中獲得更多的負熵為代價。於是,麥克斯韋妖的疑難就最後被解決了。
麥克斯韋妖疑難的解決,不僅是舊問題的結束,而更是新問題的開始。維納說:“拒絕由麥克斯韋妖產生的問題要比解答這個問題簡單。否認這種東西或這種結構存在的可能性是最容易不過的事了。嚴格意義上的麥克斯韋妖不可能存在,可是如果我們一開始就接受這一點而不加以論證,那我們就要失去一個難得的機會來研究關於熵和關於在物理學、化學和生物學中麥克斯韋妖的可能意義的係統知識。”如果我們把從外界輸入負熵而產生有序化的係統都看成是一種含義經過修正的麥克斯韋妖,我們就有了一個統一的概念來研究包括耗散結構、信息係統和生命係統在內的一切產生負熵的開放係統了。含義經過修正的麥克斯韋妖並不違反熱力學第二定律,它是在以環境提供負熵為代價的舞台上演出的有聲有色、內容豐富、威武雄壯的史劇。熱力學第二定律隻告訴我們,每一台這樣的史劇遲早都要結束。而我們的任務是研究每一台史劇,並且去導演水平更高、信息量更大的史劇!薛定鍔的負熵概念、維納的控製論、申農的信息論、普裏高津的耗散結構理論……,都是科學舞台上一幕幕威武雄壯的史劇。也許,一場更為威武雄壯的科學史劇正在等待我們去編導哩!
六、負熵和宇宙論
麥克斯韋妖的疑難解決了,還有宇宙熱寂論疑難的問題。耗散結構以及其他一切含義經過修正的麥克斯韋妖,都依賴於從環境輸入負熵而產生有序,因此,這種有序化是以環境中更大的熵增為代價的。如果把耗散結構與其環境整個看成一個係統,那麼這個係統是仍然要產生熵增加的。事實上,普裏高津本人也沒有給耗散結構的研究提出解決宇宙熱寂論的任務。錢學森同誌說:“普裏高津的理論是很有啟發性的,它使我們從經典熱力學的窒息氣氛中解放出來,再也不必去召喚麥克斯韋妖來減小某處的熵了。”如果我們把這句話理解成普裏高津的理論已經解決了熱寂論問題,那就錯了。
恩格斯早就說過:“隻有指出了輻射到宇宙間的熱怎樣變得可以重新利用,才能最終解決這個問題。”同時,恩格斯還明確地預言:“放射到太空中去的熱一定有可能通過某種途徑(指明這一途徑,將是以後自然科學的課題)轉變為另一種形式,在這種運動形式中,它能夠重新集合和活動起來。因此,阻礙已死的太陽重新轉化為熾熱星雲的主要困難便消失了。”宇宙中散逸的輻射怎樣才可以重新集中起來呢?有能夠吸引輻射的機製嗎?哦,那是黑洞!黑洞具有極其強大的引力,引力場強到使其周圍的空間高度彎曲,以致光線也無法輻射出去。在黑洞的引力範圍內,一切物質,包括輻射及其所攜帶的能量,都將被它吸積(accretion)進去。即使是恒星所散逸出去的輻射以及2.7K宇宙微波本底輻射或其他任何廢熱,都能夠被黑洞所吸積。這就會造成宇宙中某些區域高度的質能集中。近年來的研究表明,這樣集結起來的能量有可能重新活動起來而釋放出去。例如英國理論物理學家霍金(S.W.Hawking)把廣義相對論、熱力學和量子力學結合起來探討黑洞理論,提出黑洞可以通過量子力學的“隧道效應”發射粒子,從而進行“蒸發”。到最後階段黑洞蒸發極快,因而最終將是一場猛烈的爆炸。也有人設想,由黑洞的爆炸可能產生新的恒星和星係。
也許,黑洞還可能有其他的釋能方式。總之,在黑洞中集結起來的能量不一定是束縛能,而是可能轉化和重新活動起來並釋放出去的自由能。從外部供給黑洞的可以是高熵的質能(例如宇宙中的彌散性輻射或“廢熱”),而黑洞的吸積和質能轉化卻可以把它們變成低熵的質能。從某種意義上來看,黑洞本身是可能產生負熵的,它並不需要從外部獲得負熵流。名聞遐邇的科普作家阿西莫夫(I.Asimov)說:“在黑洞裏,熱力學第二定律被顛倒過來了,因而盡管宇宙的大多數區域是在衰亡,但黑洞裏卻在逐漸複興。”
黑洞能導致宇宙的局部收縮,但還不足以與整個宇宙的膨脹相抗衡。宇宙膨脹是由宇宙大爆炸開始的,宇宙大爆炸通常被看作是宇宙時間箭頭——熵增的本原。因此,要最終解決熱寂論的問題,還必須找到宇宙收縮的機製。根據愛因斯坦的引力理論,宇宙將來是會發生收縮的。愛因斯坦引力理論對宇宙發展圖景的預言是,宇宙從大爆炸開始,膨脹至它的最大限度,然後收縮以至坍縮。這一預示後來被許多學者推廣了(R.C.Tolman,A.Avez, R.P.Geroch, S.W.Hawking, R.Penrose)。
有跡象表明中微子具有靜止質量。宇宙大爆炸產生的中微子比其他物質粒子的總數還要多十億倍,即使中微子隻有一丁點兒質量,整個宇宙中的中微子質量總和就要大大超出所有其他物質的質量總和。據稱根據測定的中微子靜止質量計算,中微子的總質量要占宇宙總質量的百分之九十以上。因此,中微子有可能是控製我們宇宙膨脹和收縮的關鍵性因素。有人認為,中微子對宇宙密度的貢獻有可能在將來導致宇宙收縮。這樣,宇宙熱寂論的最後陣地就被攻破了!
七、負熵論——一個未來的新學科
信息論的負熵概念較熱力學的負熵概念含義要廣,而且具有普遍性意義,可以稱為廣義負熵。要實現普裏高津提出的自然科學、生命科學和社會科學研究對象進化發展規律的廣義大統一的目標,進化發展程度或有序度的表示方法是一個極為重要的問題。廣義負熵或信息量的概念提供了表示的一般性原則,並且將這種表示方法與許多不同學科中出現的形形色色的熵和負熵的概念聯係起來,使這許多駁雜的概念之間的聯係和區別變得清晰。廣義負熵在許多不同但卻相互有關的學科中都有相應的概念,這就便於人們對不同學科中提出的不同的熵和負熵的概念進行比較,並因此而建立各門學科之間的準確關係。可以說,廣義負熵的概念滿足了當代科學發展中提出的“大統一”這個普遍而深切的要求,從而成為聯係許許多多不同學科的紐帶。廣義負熵給許多不同學科提供了一個共同的、統一的詞彙,這就有助於為這些不同學科建立一套共同的語言,促進它們的相互滲透和相互豐富,從而實現普裏高津提出的廣義有序化(實際上就是廣義進化)的大統一的目標。這個大統一性質的未來的新學科,我們是否可以稱之為“負熵論”呢?我們不妨先給這個未來的新學科譯一個外文名:將negentropy(負熵)這個詞的詞尾-y改為表示學科的詞尾-ics,就成為negentropics(負熵論)了!
負熵意味著進化發展。因此,負熵論也就是廣義進化論。1859年,達爾文(C.R.Darwin)的巨著《物種起源》問世,正式奠定了生物進化論的基礎。達爾文的積極支持者和戰友赫胥黎(T.H.Huxley)自稱達爾文的“鬥犬”,不遺餘力地宣傳進化論,並在1884年出版了《進化論與倫理學》(即《天演論》)一書,闡述了關於整個自然界進化發展的廣義進化思想。他把進化觀點從生物界推廣到整個宇宙:“對世界的局部來說是這樣,對整體來說也是這樣,自然知識越來越導致這樣的結論:天上的列星和地上的萬物都是宇宙物質的部分過渡形式,在沿著進化的道路前進”。“隻要我們稱之為科學知識的那種對事物的性質的有限揭露還在進行,它就會越來越有力地使人相信,不僅植物界,而且動物界;不僅生物,而且地球的整個結構;不僅我們的行星,而且整個太陽係;不僅我們的恒星及其行星,而且作為那種遍及於無限空間並持續了無限時間的秩序的證據的億萬個類似星體,都在努力完成它們進化的預定過程”。生物進化、宇宙進化、耗散結構、信息係統、自動控製係統……,它們都能產生有序化,這就是廣義進化。可以說,負熵論(廣義進化論)是關於整個自然界進化發展的帶有普遍性意義的綜合性理論體係。我們熱切地期待著,這個新課題能引起更多人的興趣,大家共同努力,使負熵論這個未來的新學科或新的自然科學理論體係盡早誕生。