無(wú)序的科學(xué)

前言

寫給中國(guó)讀者的話很高興能有機(jī)會(huì)就我的《無(wú)序的科學(xué)》中文版的面世為中國(guó)讀者寫點(diǎn)什么，能與一個(gè)世界上人口最多、具有5000多年文明和傳統(tǒng)歷史的國(guó)家的人民進(jìn)行對(duì)話、交流，確實(shí)令我感到十分榮幸。在此我想感謝湖南科學(xué)技術(shù)出版社，感謝該社的副社長(zhǎng)及本書的編輯劉堤地先生為本書出版的方方面面所提供的極其有益的幫助。我也感謝譯者王芷為翻譯本書付出的辛勤勞動(dòng)。由于全球經(jīng)濟(jì)一體化、自由貿(mào)易、人口增長(zhǎng)和科技進(jìn)步，我們的世界正發(fā)生著巨大的變化而迅速向前發(fā)展。在過(guò)去的幾十年里，科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已成為整個(gè)世界的驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)著一些發(fā)展中國(guó)家，特別是中國(guó)，進(jìn)入一個(gè)工業(yè)化、現(xiàn)代化的進(jìn)程，使人們的收入增加，生活水平提高。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)已成為世界一支主要的經(jīng)濟(jì)力量。但是與此同時(shí)，環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)問(wèn)題——常稱之為“挑戰(zhàn)”——也在全世界出現(xiàn)。這些問(wèn)題并不是偶然意外，而是熱力學(xué)第一、第二定律——即在本書所說(shuō)的能量定律和熵定律——的必然結(jié)果。這兩條自然定律一直并仍在繼續(xù)控制著我們宇宙的所有事物，包括人的行為。它們對(duì)我們的影響已成為我們?nèi)祟愓w的不可分割的一部分，因此了解這兩條定律運(yùn)行的規(guī)律，并對(duì)它們給予高度的關(guān)注將是十分有益的。我花費(fèi)20多年的時(shí)間，對(duì)熱力學(xué)的概念進(jìn)行一些思考、探索和研究。盡管從那時(shí)起到現(xiàn)在，熱力學(xué)的概念已有了很大的變化，但熱力學(xué)定律仍然適用于我們，不僅僅是仍然適用，而且甚至對(duì)我們今天更適用，因?yàn)槭澜缛丝?、能源消費(fèi)和世界貿(mào)易問(wèn)題已大大增加，環(huán)境、人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)系統(tǒng)面臨著更緊張的局面。自然界一直為我們?nèi)祟愄峁┲S富的能源和資源，但是，熱力學(xué)——通過(guò)熱力學(xué)第二定律——告誡我們，能源的利用不是免費(fèi)的，被利用的每一種能源都會(huì)在環(huán)境留下它們各自的影響或造成一定的后果，常常帶來(lái)一些生態(tài)學(xué)、社會(huì)學(xué)和對(duì)人類健康不利的問(wèn)題。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)系統(tǒng)需要認(rèn)識(shí)到這一事實(shí)并建立相應(yīng)的政策。在最近的的一段歷史中，因?yàn)槿丝诘脑鲩L(zhǎng)，人類轉(zhuǎn)到高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)的耕作方式，包括機(jī)械化、灌溉、使用化肥和殺蟲劑等一些方式。這些技術(shù)雖然有助于增加單位面積的糧食產(chǎn)量，但是也破壞了生物圈的正常循環(huán)，因此也助長(zhǎng)了環(huán)境熵——環(huán)境的無(wú)序——的增加。這些技術(shù)已導(dǎo)致土壤侵蝕加劇、地下水和水源被污染。而且殺蟲劑的使用帶來(lái)了一系列涉及公共衛(wèi)生和環(huán)境的令人頭痛的問(wèn)題。歷史的教訓(xùn)說(shuō)明，每一項(xiàng)應(yīng)用科學(xué)——技術(shù)——都會(huì)產(chǎn)生一定的副作用，歷史學(xué)家稱之為：技術(shù)的無(wú)意結(jié)果。在許多情況下，這些副作用——無(wú)序——都帶來(lái)許多的我們每一個(gè)個(gè)體和社會(huì)群體都不能忽視，而是必須重視的社會(huì)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。隨著我們對(duì)熱力學(xué)定律——特別是熱力學(xué)第二定律～的知識(shí)的增加，我們會(huì)越來(lái)越意識(shí)到我們所有行為可能帶來(lái)的后果。熱力學(xué)有助于我們了解自然怎樣運(yùn)作，了解人與人之間、人與自然之間該怎樣和諧共處，有助于我們構(gòu)建一個(gè)胡錦濤主席倡導(dǎo)的“和諧社會(huì)”。杰克·霍金凱博士于美國(guó)加利福尼亞洛杉磯

內(nèi)容概要

　　《無(wú)序的科學(xué)》從一個(gè)物理學(xué)家的角度出發(fā)，闡述怎樣將熱力學(xué)定律應(yīng)用到人類社會(huì)所有領(lǐng)域，包括：化學(xué)、宇宙學(xué)、醫(yī)學(xué)、教育、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)學(xué)。一旦掌握了熱力學(xué)定律的精髓，就能弄清我們現(xiàn)在所面臨的一些從經(jīng)濟(jì)到環(huán)境再到社會(huì)的、日益復(fù)雜的全球性問(wèn)題。這些熱力學(xué)定律知識(shí)的精髓將幫助我們了解自然界一切活動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，以使我們能夠在一個(gè)和諧的自然環(huán)境中生活并與自然和諧相處。我們所處的世界正迅速變化，變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越無(wú)序。污染越來(lái)越嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)處于無(wú)序當(dāng)中，犯罪和社會(huì)沖突頻繁發(fā)生，武器倍增并四處擴(kuò)散，我們的生活變得狂躁、混亂無(wú)序。盡管人們一直在對(duì)污染加以控制，但生態(tài)環(huán)境仍處在危機(jī)當(dāng)中：空氣當(dāng)中仍彌漫著有毒氣體，周圍環(huán)境仍四處堆放著有毒化學(xué)品、核廢棄物，飲水和食物中仍殘留著化肥和殺蟲劑。盡管人們一直堅(jiān)持不懈地試圖根治令人討厭的病毒、細(xì)菌和有害昆蟲，但它們?nèi)运翢o(wú)忌憚地侵襲著人類，而且日益猖獗?！　∶鎸?duì)上述困惑我們或許能從熱力學(xué)原理中找到解釋。熱力學(xué)第一、第二定律適應(yīng)于人類社會(huì)所有領(lǐng)域——從物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)到經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)及人的思維——活動(dòng)的全過(guò)程，也就是說(shuō)人類社會(huì)的所有活動(dòng)都受熱力學(xué)第一、第二定律支配。由于歷史的原因，最初研究這些定律是在研究熱和熱能的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，因此被稱為熱力學(xué)定律，然而，它們同樣也是對(duì)人類非常重要的、具有普遍意義的自然定律?！　o(wú)論是重視還是輕視熱力學(xué)定律，真正要在熱力學(xué)定律基礎(chǔ)之上來(lái)解決我們面臨的許多問(wèn)題還是非常困難的。因此，一個(gè)非常重要的問(wèn)題是，我們應(yīng)真正了解、熟悉這些定律，了解這些定律對(duì)我們生活、我們社會(huì)和我們環(huán)境的影響。這樣才不會(huì)做出與自然規(guī)律相悖的決策。　　早在人類知識(shí)被劃分成許多專業(yè)之前，科學(xué)和哲學(xué)的目標(biāo)是一致的：探求自然是怎樣運(yùn)動(dòng)的真理，以達(dá)到發(fā)現(xiàn)自然基本規(guī)律的目的。通過(guò)這一過(guò)程對(duì)自然以及人類在自然中所處的地位提出綜合、統(tǒng)一的自然觀。然而到今天人類知識(shí)留給我們的只有哲學(xué)而沒(méi)有科學(xué)，科學(xué)已被技術(shù)一實(shí)用科學(xué)所取代。正像一位科學(xué)家所描述的：關(guān)心的是技術(shù)，追求的還是技術(shù)（listentothetechnologyandfindoutwhatitistellingyou）。但技術(shù)是不能向我們提供任何自然法則的，法則必須來(lái)源于一些真實(shí)的人生哲理，因此，我們真還不得不回到熱力學(xué)定律上來(lái)。技術(shù)曾承諾給我們一個(gè)新的世界，在這個(gè)世界里我們將得到對(duì)自然和環(huán)境的控制力；將得到源源不斷的、低廉的能源和自然資源；將享受無(wú)病害干擾，健康并充滿活力的生活。但這些都沒(méi)有兌現(xiàn)，其真正的原因是：我們是生活在一個(gè)熱力學(xué)世界，一個(gè)技術(shù)無(wú)法左右、只能由熱力學(xué)定律來(lái)控制的世界?！　”M管這些熱力學(xué)定律早在150年前就被發(fā)現(xiàn)，但大部分人——包括受過(guò)教育的人卻對(duì)它們并不十分了解。例如阿爾·戈?duì)枺ˋIGore）在他的《維持地球平衡》（EarthintheBalance）一書中，僅僅是提到熱力學(xué)第一定律，而對(duì)人類影響最大的自然定律之一——熱力學(xué)第二定律沒(méi)有提及。　　熱力學(xué)定律——特別是熱力學(xué)第二定律——在大量文獻(xiàn)中被頻繁誤解、歪曲，造成非?；靵y的概念。在這《無(wú)序的科學(xué)》里，許多常見的誤解，包括大量與它相悖的、被篡改的錯(cuò)誤概念得到澄清、更正。在第一、第二章里用一般術(shù)語(yǔ)闡述了熱力學(xué)第一、第二定律的主要思想，附帶介紹了一些歷史背景，為《無(wú)序的科學(xué)》的主題提供了科學(xué)基礎(chǔ)。　　在今天變幻莫測(cè)的世界里，許多技術(shù)、理論、意識(shí)形態(tài)、時(shí)尚和信息都迅速過(guò)期、被擯棄。而熱力學(xué)定律卻長(zhǎng)盛不衰、保持穩(wěn)定，不僅經(jīng)受了時(shí)間的檢驗(yàn)，而且隨著越來(lái)越多的實(shí)證數(shù)據(jù)的積累而變得越來(lái)越有說(shuō)服力?！　崃W(xué)定律是建立在兩個(gè)熱力學(xué)量：能量和熵的基礎(chǔ)之上的?！　〉谝欢墒悄芰坎粶缍?。意思是宇宙中的能量的總量是恒定不變的，是一個(gè)恒量。這喻示宇宙中的能量既不能創(chuàng)造也不能被消滅，但是能夠從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。俗語(yǔ)“有失才有得”就是源于此定律。　　第二定律是關(guān)于熵的定律。它規(guī)定在所有過(guò)程中熵的增加是不可逆的。物理學(xué)家把熵作為度量一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)無(wú)序狀態(tài)程度的量度單位。如果用經(jīng)濟(jì)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，第二定律可看做自然界的一個(gè)強(qiáng)硬的收稅員，它索要的稅款取自于由熱力學(xué)系統(tǒng)無(wú)序狀態(tài)增加而導(dǎo)致的所有我們的活動(dòng)。由增加熵，也就是通過(guò)稅收，第二定律控制和指揮宇宙所有運(yùn)動(dòng)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行的方式、途徑。因此，第二定律在所有自然定律中享有最高地位，對(duì)第二定律我們應(yīng)從全局的、整體的角度理解?！　〔徽撌俏锢韺W(xué)家、生物學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、心理學(xué)家，還是政治家；也不論是保守黨還是自由黨，或中間派；不論是技術(shù)人員、環(huán)保主義者、資深生態(tài)學(xué)家，還是生態(tài)女權(quán)主義者；不論是非洲人、美洲人、亞洲人、澳大利亞人還是歐洲人；不論是資本主義者、共產(chǎn)主義者還是社會(huì)主義者都會(huì)感受到在我們之中和我們周圍各種累積在一起的熵對(duì)我們施加的影響，這些累積的熵來(lái)自于自然的、社會(huì)的、環(huán)境的、經(jīng)濟(jì)的和思維的熱力學(xué)系統(tǒng)，有了這種感受倒是對(duì)我們弄清熵的方方面面提供了便利?！　?0年前，生態(tài)學(xué)家迪博（ReneDubos）就指出：“技術(shù)和其他實(shí)用性科學(xué)一直被過(guò)分吹噓?！边@位著名的生物學(xué)家認(rèn)為：科學(xué)在評(píng)判知識(shí)真?zhèn)?、客觀、合理、有創(chuàng)意地評(píng)判社會(huì)進(jìn)化帶來(lái)的問(wèn)題、促進(jìn)知識(shí)進(jìn)步中發(fā)揮的作用越大，那么科學(xué)對(duì)人類就越有用。但他指出：“在大學(xué)和研究所里科學(xué)即使沒(méi)有被完全忽視也是處于一個(gè)非常低的地位，人們對(duì)大量科學(xué)技術(shù)的重要成果、結(jié)論已介入到人類生活和其生存的環(huán)境視而不見?！?0年后的今天，迪博所說(shuō)的這種狀況依然如故?！　〔恍业淖銦崃W(xué)定律也遭受如此境遇。雖然熱力學(xué)定律能夠幫助我們理解并解決今天所面臨的、特別是那些由人類自己制造的問(wèn)題，但熱力學(xué)定律——包括熱力學(xué)原理中重要的、具普遍意義的不可逆概念，如自然過(guò)程的不可逆性——一直沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。試想我們?nèi)绻麑⑷祟愂澜缰糜谝粋€(gè)由人類本身控制的可逆（能進(jìn)行一系列向前或向后變化的）系統(tǒng)，而不是一個(gè)受熱力學(xué)定律約束的不可逆系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行觀察，由此而得到的觀察結(jié)果誤差會(huì)有多么的大?！　∫坏┱莆?、熟悉了熱力學(xué)定律，許多早前不可理解的現(xiàn)象和似是而非的觀點(diǎn)就會(huì)豁然開朗。人們會(huì)明白為什么時(shí)間長(zhǎng)河只能淌過(guò)一次，為什么人的年齡不可逆轉(zhuǎn)，為什么人們的生活變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越不確定，為什么人類將經(jīng)歷“未來(lái)的沖擊”，為什么身邊省時(shí)的發(fā)明越來(lái)越多而自己擁有的時(shí)間卻越來(lái)越少，為什么有許多承諾和期望沒(méi)有兌現(xiàn)。同時(shí)我們也能預(yù)知未來(lái)的危機(jī)?！　‖F(xiàn)時(shí)的教育、經(jīng)濟(jì)制造了大量的專家。然而，我們?cè)诟髯詫I(yè)領(lǐng)域?qū)W到的概念——雖然是一些有用的、基本的知識(shí)，都只限于狹窄的范圍，這種教育并沒(méi)有賦予我們?nèi)?、綜合地觀察世界的能力。相反，有關(guān)熱力學(xué)的科學(xué)知識(shí)——包括由它衍生出來(lái)的所有定律的素質(zhì)訓(xùn)練，會(huì)使我們學(xué)會(huì)全面地看問(wèn)題，自然也會(huì)促使我們?nèi)タ紤]全局。以往我們?cè)谂袛嗌厢劤纱箦e(cuò)，原因在于我們僅僅考慮了熱力學(xué)系統(tǒng)的局部?！　榻鉀Q當(dāng)前各式各樣而又互相聯(lián)系的問(wèn)題，需要一類可以通用的、基本的自然法則，這些法則可應(yīng)用到所有活動(dòng)和過(guò)程之中。如果我們找到并熟悉這些法則，我們就擁有了一個(gè)討論并解決經(jīng)濟(jì)、管理、教育、健康狀況、交通、技術(shù)和生態(tài)等一系列緊迫問(wèn)題的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介

作者：(美國(guó))霍金凱 譯者：王芷杰克·霍金凱(Jack Hokikian)，南加利福尼亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)博士，20世紀(jì)70年代在一家噴氣推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)室從事固定軌道宇宙飛船研究，在那里工作8年。曾任南加尼福利亞大學(xué)、加尼福利亞州立大學(xué)北嶺分校計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)教授，指導(dǎo)有關(guān)自動(dòng)化技術(shù)和數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)管理的研討會(huì)。現(xiàn)任洛杉磯某保健機(jī)構(gòu)數(shù)字建筑設(shè)計(jì)師。

書籍目錄

第一章 自然第一定律一、什么是能量?二、熱力學(xué)第一定律的誕生三、永動(dòng)機(jī)的不可能性四、能量的放射性與持久性第二章 自然第二定律一、新科學(xué)的誕生二、熱力學(xué)第二定律的誕生三、自然過(guò)程的不可逆趨勢(shì)四、什么是熵?五、麥克斯韋妖企圖摧翻熵定律六、熵如同“時(shí)間的箭頭”七、波耳茲曼的熵推導(dǎo)式第三章 自然定律的作用一、無(wú)情的增熵二、宇宙從時(shí)鐘般規(guī)律運(yùn)行到“過(guò)熱死”三、熱力學(xué)與宇宙論四、熵——一個(gè)度量未知因素的量五、人類——一個(gè)開放的熱力學(xué)系統(tǒng)六、為什么我們的年齡不可逆轉(zhuǎn)七、與第二定律相悖的進(jìn)化是一個(gè)奇跡嗎?第四章 知識(shí)和熵一、知識(shí)經(jīng)歷了熱力學(xué)轉(zhuǎn)化二、教育系統(tǒng)的熱力學(xué)觀點(diǎn)三、知識(shí)的無(wú)序狀態(tài)第五章 處于高熵中的美國(guó)一、美國(guó)的高熵生活二、所有產(chǎn)生熵和浪費(fèi)時(shí)間的領(lǐng)域三、淹沒(méi)在信息的汪洋四、選擇太多，時(shí)間太少五、我們最終會(huì)把我們自己從機(jī)器中解放出來(lái)嗎?第六章 工-農(nóng)聯(lián)合體一、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和熱力學(xué)第二定律二、殺蟲制三、環(huán)境中的土壤侵蝕和退化第七章 熱力學(xué)第二定律的真正意義是什么?一、反思自然資源和能量的可用性二、熵：所有自然過(guò)程的最高管理者三、溫室效應(yīng)四、高技術(shù)環(huán)境中的熵五、我們能夠“控制”自然過(guò)程嗎?第八章 經(jīng)濟(jì)，環(huán)境和熱力學(xué)定律一、經(jīng)濟(jì)學(xué)理論二、計(jì)算機(jī)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)三、經(jīng)濟(jì)學(xué)環(huán)境外部因素的概念四、把經(jīng)濟(jì)學(xué)當(dāng)成一門應(yīng)用科學(xué)第九章 為什么許多事物在我們未認(rèn)識(shí)它之前看起來(lái)如此完美一、為什么許多期待被幻滅?二、核聚變將給人類帶來(lái)什么?三、空間：無(wú)限嗎?四、發(fā)展中的全球一體化和熵第十章 以熱力學(xué)眼光看世界一、“事半功倍”的概念二、對(duì)變化和科技“發(fā)展”的重新審視三、區(qū)分低熵行為、高熵行為及生活方式第十一章 熱力學(xué)法則一、科學(xué)教我們?nèi)绾紊盍藛?二、始終如一地傳達(dá)科學(xué)信息的必要性三、讓熵成為我們?nèi)粘Ｓ谜Z(yǔ)的一部分四、熱力學(xué)與知識(shí)的統(tǒng)一注釋索引

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無(wú)

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