题目

孤立系统的熵增原理有什么具体应用啊,
除了在热力学方面,其他学科包括哲学,经济学,信息技术等方面,越详细越好.
熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理.
熵增原理是适合热力学孤立体系的,能量守恒定律是描述自然界普遍适用的定律.熵增定律仅适合于孤立体系,这是问题的关键.实际上,绝对的联系和相对的孤立的综合,才是事物运动的本质.虽然从处理方法上讲,假定自然界存在孤立过程是可以的.但是从本质上讲,把某一事物从自然界中孤立出来是带有主观色彩的.当系统不再人为地被孤立的时候,它就不再是只有熵增,而是既有熵增,又有熵减了.于是可以看到能量守恒定律仍然有效.
熵总是联系着大量子系统,而人类社会正是这样一个复杂的体系.在人类社会中不仅有熵增,而且有熵减,这就使关于人类的科学与整个自然科学产生分歧,出现自然科学与人文科学的矛盾.
我们知道,在科学中有三个基本定律,即质量守恒定律,能量守恒定律和熵增定律.质量、能量守恒定律在微观领域又被推广为质、能相关定律.质量守恒定律,能量守恒定律和质能相关定律在数学上表示为等式.而熵增定律则是不等式 ,即在孤立系中 ,熵增总是大于或等于零 ( △ S ≥ 0) .在这种等式与不等式的差别中,隐含着深刻的意义.

提问时间：2020-10-30

答案

科学史及其与哲学和宗教的关系》一书中就认为,“把热力学原理应用于宇宙理论,其有效性是可疑的.把从这样有限的例证中推出来的结果,应用到宇宙上去,是没有道理的,即令过去利用这些结果去预言有限的独立的或等温体系的情况很有成效”.[16]另一种观点则直接否认宇宙是一个“孤立系”.实际上,这两种观点本身是相互关联的,都预先设定了宇宙是一个“无限的”“非孤立系”的前提.并且一再企图证明,宇宙是漫无边际的物质,各个部分都是相互联系的,宇宙之外还有宇宙,因而不存在孤立部分.何祚庥认为,这些论证都不能证明人们永远不能把无限宇宙当作一个统一整体来把握.[17]况且,今天的科学还不能证明宇宙是否无限.因此,这种说法并不能驳倒“热寂说”.另一方面,认为从孤立系中得出的第二定律不能推广到无限宇宙去的论证,从逻辑上看也是不严密的.小范围内的自然规律外推到大范围在逻辑上并不必然错误,科学史上就有大量这样外推的先例,如绝对零度概念、热力学第一定律以及模型方法等.既然能把热力学第一定律推广到整个宇宙,那么又为什么不能将第二定律作同样的推广呢?事实上,热力学第一定律也没有在无限的条件下做过实验.因此,这种说法从逻辑上看也是不能驳倒“热寂说”的.
“热寂说”提出一百多年来,各种争论此起彼伏,无休无止.有许多赞同者,也有许多反对者.他们都在孜孜不倦地寻求着这一疑难的最后答案.然而,最终都令无数英雄竞折腰.难怪大哲学家罗素(B.Russel)发出这样悲观的感叹,“一切时代的结晶,一切信仰,一切灵感,一切人类天才的光华,都注定要随太阳系的崩溃而毁灭.人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切,几乎如此之肯定,任何否定它们的哲学都毫无成功的希望.唯有相信这些事实真相,唯有在绝望面前不屈不挠,才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”.[19]即使是像控制论之父维纳(N.Wiener)这样的科学巨匠,最终也“控制”不住自己沮丧的感情,几乎是在绝望中悲叹,“我们迟早会死去,很有可能,当世界走向统一的庞大的热平衡状态,那里不再发生任何真正新的东西时,我们周围的宇宙将由于热寂而死去,什么也没有留下……”([7],p.76)
三、“热寂说”“终结”了吗?
长期以来,对“热寂说”疑难的回答似乎都未能切中要害,缺乏说服力,因而一再爆发争论.然而20世纪六、七十年代以后,自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来,对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向,这一时期成了“热寂说”争论史上一个划时代的转折点.
宇宙早期曾一度处于平衡态,处处都有相同的温度,而且物质分布也是相当均匀的.大爆炸之后,宇宙才逐渐偏离热平衡态.
早在大爆炸宇宙理论为科学界公认之前,一些学者即正确地指明了解决宇宙“热寂”疑难的方向,关键在于应从宇宙中是否存在热平衡态这一根本性问题着手.（[17],p.77～78）现在,大爆炸理论直接证明了宇宙在膨胀,而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的关键,那么在一个膨胀的宇宙中是否存在着热平衡态呢?
假定有两类物质,一类是辐射,另一类是粒子,辐射温度Tr与粒子温度Tm不一样.那么,按照经典热力学,经过一段时间以后,Tr与Tm必定相同.这是在静态空间中做出的结论.然而,假如上述空间是膨胀的,结论就完全不同了.由于在膨胀过程中,不同物质的温度降低的程度不一样,辐射温度降低较慢,粒子温度降低较快,就会造成Tr大于Tm而产生温差.这与经典热力学的结论正好相反.虽然这个温差会由于辐射与粒子之间的碰撞而消失,以至达到热平衡,但是由于达到平衡所需的时间比宇宙膨胀所需的时间要长,因而辐射和粒子之间就永远不可能达到热平衡.此时系统的熵尽管不断增加（这与热力学第二定律相符）,但它离平衡态却越来越远.而宇宙中发生的正是这种变化.
另一方面,宇宙膨胀的原因是由于引力的作用.有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同.在不考虑引力的经典热力学中,加热则体系升温,冷却则体系降温,热容量是正值.而在一个自引力体系中情况刚好相反,加热则体系变冷,放热则体系升温,热容量是负值.而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响.在一个体系中,如果同时存在着正热容物体和负热容物体,那么这个体系就具有极大的不稳定性.稍有扰动,平衡就会彻底遭到破坏而产生温差.只要有自引力体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种自引力系统.尽管自引力系统中熵是增加的,但由于没有热平衡,因而熵的增加是无止境的,永远都没有极大值.[21]
因此,“热平衡的存在对整个热力学是至关重要的,热平衡是热力学的出发点.而对于引力起决定作用的体系,实际上不存在热力学意义上的热平衡态,而是不稳定的状态”.([15],p.92)这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的,也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的.
于是,人类终于从百年梦魇中醒来,爆发出热情的欢呼,“宇宙不但不会死,反而会从早期的热寂状态（热平衡态）下生机勃勃地复sū＠①”,[22]“热寂说的一页,已被翻过去了”!([15],p.92)
然而,人类的欢呼似乎来得早了一点.尽管热力学意义上的宇宙“热寂”状态永远不会到来,但宇宙的命运却不会因此而变得更加令人乐观.宇宙的结局完全取决于它的初始条件,宇宙的创生与终结始终紧密相连.大爆炸理论发现了宇宙起源的真相,同时也预言了它遥远的未来.
在大爆炸理论中有一个极其重要的参量Ω=ρ[,0]/ρ[,c],其中ρ[,c]是与哈勃常数密切相关的一种宇宙临界密度,ρ[,0]是现在的宇宙密度.若ρ[,0]＜ρ[,c],即Ω＜1,表明宇宙是膨胀的,并且一直膨胀下去；若ρ[,0]＞ρ[,c],即Ω＞1,表示宇宙起初膨胀,到达一定时刻后,就将转化为收缩.若ρ[,0]=ρ[,c],则宇宙处于两者之间的临界状态.[23]由于大多数人承认的观测结果是Ω＜1,因此宇宙一直永远膨胀下去成为最可能的一种状态.假使如此,未来所有恒星上的热核反应都将逐渐停止,留下的将是各种各样的宇宙“熔渣”——黑矮星、中子星和黑洞,而宇宙的背景辐射温度将不断下降,以至于无限地趋近于绝对零度,[24]最终达到另一种意义上的“冷寂”.宇宙另一种可能的状态是,当膨胀达到最高点,背景辐射的温度降到最低,此时宇宙开始收缩,温度又重新上升.当宇宙不断收缩至愈来愈接近它的最后阶段时,环境条件同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似,宇宙又重新回到处于“热寂”状态的基本粒子“羹汤”状态.这实际上是一个反演过程.在宇宙暴缩的最后时刻,引力成为占绝对优势的作用,所有的物质都将因挤压而不复存在,包括时空本身在内的一切有形的东西统统将被消灭,只剩下一个时空奇点.[25]无论宇宙最后出现哪一种状态,其结果对人类来说都将是灭顶之灾.
这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙未来和世界末日.由于这一理论也不合人们的期望,因而当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的反对,并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂说”.[26]然而,自然规律毕竟不以人的意志为转移,人类必须正确对待,最好的心态是,“我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实,死亡或许正是为创生不得不付出的代价”.（[25],前言,p.3）
当然,还存在着一些其他并非毫无科学根据的宇宙模型,也许会带给人类新的光明和希望.人类不应该气馁.“我们的后代也许还有数十亿年甚至数万亿年的时间来对付这场最后的大屠杀.在这段时间里,生命能够扩展到整个宇宙……并对它加以控制,因此他们可以调整自己的位置,支配一切可能的资源来对抗这场大危机”.（[25],p.93～94）
无论如何,人类决不甘心坐以待毙,而科学也将一如既往地走自己的路,总有一天会给人类一个明晰的答案.