流动在自然系统的熵

　　 记得前年央视出镜记者柴静曾以一段《穹顶之下》超长视频，向公众分析了当前我国大气污染的严峻形势，以期唤醒人们爱护自然、参与环保的意识，其公益作用毋庸置疑。但是，这部视频并没有触及形成雾霾的自然科学原理。另外，从人类文明发展史来看，环境问题的产生是因为技术发展到一定阶段的特定产物。“解铃还需系铃人”，环境问题最终还需要通过技术方法来解决。因此，创新不仅是发展的动力，更是解决环境问题的根本途径。
　　 ——题记
　　
　　 人口剧增、资源枯竭、粮食安全和环境污染，是当今世界面临的重大问题。我国将“实行计划生育”、“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切实保护耕地”和“保护环境和生态平衡，防止污染和其它公害”作为基本国策，不仅对国家发展战略具有重大意义，而且对整个人类文明的进步也是一大贡献。
　　 纵观人类发展史，归根到底是人类不断追求丰裕和幸福的物质生活和精神生活的历史，也是不断利用自然和改造自然的历史。人类在利用和改造自然的许多方面已经取得了辉煌的成果，不仅摆脱了其它生物种群的侵扰或鲸吞，成为地球名符其实的主人，而且建立了高度丰裕的物质世界和高度文明的精神世界。然而正如恩格斯所告诫：“我们不要过分地陶醉于我们对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们，每一次胜利在第一步都取得了我们预期的结果，但在第二步、第三步都有了完全不同的出乎我们意料的影响，常常把第一步成果又取消了。”人类对自然界的每一次胜利都使人类自身付出了代价，即人类赖以生存的地球的总熵值迅猛增加了。
　　
　　 一
　　 熵(entropy)，作为热力学的一个术语，是用来衡量系统的混乱度的大小的。人类赖以生存的地球基本上是一个封闭系统。所谓封闭系统，是指任何一个与其周围的环境只有能量交换而没有物质转移的系统。对地球而言，如果考虑能量输人，仅限于太阳光照的能量流入，而能量流出只有地球以热辐射向天空散发热量。在物质方面，除了来自宇宙空间的陨石外，再没有自地球外部进入的物质；至于物质流出，地球上只有很轻的物质即氦向宇宙空间飞散以及少量人类制作的宇航装置飞入太空。因此，站在宇宙空间的角度看，可以近似地将地球看成封闭系统。如果从地球本身来考虑，它由岩石圈、大气圈、水圈、土壤圈和生物圈五个子系统组成，生物圈对其它各圈起主导作用。必须指出的是，所谓系统是指由一组相互依存、相互作用和相互转化的客观事物所构成的具有特定功能的整体。作为它的组成成分，相对来说被称为子系统。子系统还可以再分，因而实际上客观存在的系统都是多级递阶系统。比如，生物圈作为地球的一个子系统，而人类社会则是生物圈的子系统，不同的国家又是人类社会的子系统。理解这一点非常重要，因为在任何一阶系统内，子系统总是相互依存相互作用和转化的。
　　 在地球封闭系统内，物质总是在不断运动的。就某一子系统而言，其运动状态可以发生变化，但这种变化不是凭空而来的。从低能量的运动状态进入高能量的运动状态，其它子系统必须对该子系统传递能量，反之亦然。某一个子系统能量变化大小正好等于其它子系统传递给它的能量。这就是能量守恒定律。这个定律说明，整个宇宙的能量总和是一个常数，即谁也不能创造和消灭能量。地球系统内的能量大体上可以分成两大部分。第一部分是地球上物质的原子核能和地热能，这部分能量在生物圈形成之前就存在了。第二部分是太阳能在地球上的积累和贮存，这部分能量是在地球上出现生物之后才存在的。绿色植物通过光合作用将太阳能积累并贮存下来，动物摄取植物贮存的太阳能并将其一部分也贮存在体内。地球上的化石燃料都是上古时期动植物贮存的太阳能。大量的实践证明，第二部分能量是可供人类直接转化的，而第一部分能量必须使用了第二部分的能量才能为人类所利用。既然能量不能被消灭，当今人类社会就不应该存在能源危机及粮食危机了。熵定律从理论上可以说明这些危机的症结。
　　 熵定律告诉我们，在任何一个封闭系统内，能量只能沿着一个方向转化，即从可以利用到不可以利用；从有效到无效；从有秩序到无秩序。比如我们燃烧一块煤，它的能量虽然没有消失，却经过转化随着二氧化碳及其它气体一起散发到空间去了。能量的确没有消失，但我们再不能将这块煤重烧一次来放出同样的热。熵定律解释了这一现象，告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们都会有一些“损失”。这个“损失”就是我们丧失了在将来用于作某种功或放出热的一定能量。
　　 自然环境里的万物形态、结构和运动都不过是能量的不同聚集与转化形式的具体表现而已。比如一块香皂都能体现从一种形式转化成为另一种形式的能量。制作这块香皂一定转化了其它地方积累起来的能量，生产工艺需要能量，运输需要能量。消费这块香皂，它所包含的能量并没有消失，而只是转移到其它地方去了。尽管香皂原来包含的能量没有消失，但却永远再不能具有原先的洗涤效果了，因为香皂从有序状态变成无序状态了。这种无序度或称为混乱度也就是熵。实质上熵是不能为人类使用的能量总和的一种测定单位。在一个封闭系统内，要把能量转化为功，这个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异即温差。普通物理学告诉我们，当能量从高集中程度转化到低集中程度，就做功。每一次能量从高水平转化到低水平都意味着下次能再做功的能量就减少了。这种不同的能量状态分别被定义为有效能量和无效能量。熵的增加就意味着有效能量的减少。而在一个封闭体系里，能量水准的差异总是趋向于零，如果没有外界负熵的流入，熵值的增加就是自发的、不可逆的过程。
　　 必须指出的是在一段孤立时间内的一个特定场合，我们可以逆转熵的过程，但同时必须转化更多的有效能量，使整个环境熵的总值进一步增加。比如一幢摩天大楼拔地而起，完全是一个从无序到有序的过程，但花费的建筑材料如砖、水泥、钢筋等，都在另外地方转化了有效能量。熵定律揭示了在一个封闭系统内，所有能量总是从有序状态向无序状态转化。当熵值处于最小状态时，即有效的量处于最大值，整个系统也就处于最有序的状态。相反熵为最大值，有效能量就处于完全耗散的状态，系统的秩序最乱。
　　
　　 二
　　 人类诞生以前，地球上就是一个生机勃勃的世界，有花鸟，有飞禽走兽。有密茂的植被、广袤的沃土和丰富的矿藏。对今天人类来说，那时地球是一个自然资源极为丰富的世界。各种生物在自然法则下，生老病死，各得其所。整个地球有效能量多，具有高度的秩序，熵处于低值状态。人类诞生之初，在采集——狩猎型社会里，人类转化有效能量很少。后来人类征服自然本领变大了，使得人口增加，其结果仅靠采集、狩猎已不能满足自身生存的有效能量需要，就不得不由采集——狩猎生产方式转为种植养殖生产方式。人口进一步增加，使人类不得不开垦更多的土地、毁林造田。现代人类不断追求舒适和丰裕的物质文化生活就必须不断地耗散越来越多的有效能量。
　　 世界人口急剧增加是地球熵值增大的主要原因之一。在地球封闭系统内，每一个生命都在耗散着有效能量，它从周围环境摄取有效能量使自身能够朝着与熵值过程相反的方向发展，即完全依靠制造周围环境的混乱来维持自身的秩序。植物通过光合作用而生存，光合作用是从太阳光中摄取负熵。在由青草——蚱蜢——青蛙——蛙鱼——人类组成的食物链中，在其每一个环节都要把有效能量转化成无效能量，使地球整个系统损失更大的秩序。实验表明，食物链的每一个环节，平均仅有10—20%的有效能量被吸收后留在体内，再被转化到食物链下的一个环节，而占吸收有效能量的80一90%的有效能量则以热量或功的形式损失在生物圈以外了。据测算，一个人要维持生命得以延续，每年要消费大约300条蛙鱼所蕴藏的有效能量，这些蛙鱼要吃掉9万只青蛙，9万只青蛙要吃掉两千万只蚱蜢，而这些蚱蜢又要吃掉1000吨青草。维持一个人活着对地球熵值增加竟是如此之大。
　　 从历史的角度看，地球熵值的迅猛增加是一种短暂的突变现象。这是因为人口的急剧增长只是在近代才出现的。人口的急剧增长迫使人类从周围的环境中摄取越来越多的有效能量，从而使地球总熵值迅猛增加。仅仅维持一个人活着每年就要消耗大约1000吨青草所蕴藏的有效能量，而活着的人们还要不断追求舒适、丰裕和幸福的物质文化生活，即除了从能量角度上的饮食外，还要燃薪做饭、穿衣御寒、交通旅游、文化娱乐等一系列物质文化活动，这些活动的每一个环节都消耗着有效能量。因此，与其它生物一样，人，生来就不是有效能量的创造者，而只是它们采集者和转化者。不采集和消耗地球上的有效能量，任何人就不能生存，不采集和消耗更多的有效能量，任何人就不可能活得更舒服、更惬意。
　　 在整个地球系统内，由于南北差距，人类消耗有效能量是极不平衡的。占世界四分之一的人口消耗三分之二的有效能量，而占世界人口近一半的人口仅仅能够维持温饱。就粮食而言，发展中国家的人均消耗热量仅为发达国家的三分之二左右，蛋白质仅达二分之一，而高质量的动物蛋白只有五分之一。如果把饲养禽畜间接地为人类所消耗的粮食加进去，那么发达国家居民人均消费的粮食就是发展中国家的三倍。
　　 发达国家的经济增长是以人均消耗大量的有效能量作为基础的。它们对把地球熵的总值增加，其人均值要比发展中国家大得多。以美国为例，它的人口仅占世界人口的6%，却消耗相当于全世界除粮食外的有效能量的40%。因此，如果发达国家人口与发展中国家人口按同一比例增长，并且不巧取豪夺发展中国家的有效能量，要实现大幅度的经济增长是不可能的，甚至难以维持目前高标准的生活水平。
　　 发展中国家以目前的人口数量，在目前技术条件下，要想达到发达国家的经济水平很难，除非能充分利用到来自地球系统以外的有效能量。地球作为一个封闭系统，各种物质以其有限的数量，参与各种循环和反应。就有效能量而言，对于人类在地球上生活的短暂时间内，几乎只是一个定值，因为它们的循环需要经过亿万年的漫长时间。举例来说，实现高标准的生活水平就必须有现代化的医院、学校、高速公路、电气化铁路等公共设施，这些公共设施实质上就是有效能量不同的凝聚形态。因此，如果发展中国家以目前的人口数量，经济发展到现在发达国家的水平，那么地球熵的总值将会更大，自然资源将会更少，有效能量耗散得会更多。
　　 即使地球人口保持“零”增长，随着人类历史的发展，地球熵值仍然会有所增加，这也许是一条难以抗拒的自然规律。但是人类可以采取各种方法，包括技术进步，使地球熵值的增加速度降到最低的程度，使人类能够持续不断地发展。
　　
　　 三
　　 大多数农民都能认识，即使有温和的气候和充足的阳光，也不可能在同一块土地上年复一年无休正地种出同样数量和质量的作物来。某一时候长出的一颗麦苗，都意味着将来在同样的一块地方将少一长一棵麦穗，这是因为土壤圈和其它系统一样也遵循着熵定律。土壤是由有机质和无机胶体组成的复合体，加上土壤微生物区系及酶的多样性才能使农作物能够生长。然而土壤的存在是暂时的，并不是地球表面永恒的附着物，最终它或化为尘埃随风而逝，或变成沉积物被冲人大海。肥沃的耕地也是有效能量的一聚集形态，是熵流程的一部分。作物摄取了土壤中的负熵才能维持自身的秩序，从而使土壤的熵值不断增大。
　　 在一定的时间内，只要土地侵蚀的速度慢于大自然将岩层和生物排泄物风化成表土的速度，那么人类就可能将表土维持在接近稳定的状态。但是由于风暴、干旱、洪捞等自然灾害的作用，尤其是人类活动的干预，现在土壤侵蚀的速度已经远远大于了自然恢复表土的速度。人类对土地的过度开发以及生态系统的破坏，使土壤中可供作物生长的营养物质减少了，结果有些地方土壤熵值剧增。
　　 土地作为有限的自然资源的观点，为越来越多的有识之士所共识。据地质学家测算，恢复8厘米厚的表土大约需要600年的时间。很显然，地球表土的熵值增加是一个非常现实和持续的向题。遗憾的是许多人对此并没有充分认识。大批沃土被混凝土和沥青复盖了，丧失了土地所特有的功能。对土地只有索取而较少投入，使土地的肥力下降，从而使植物不能有效地转化和贮存太阳能。
　　 不仅如此，土壤和植物组成的特定的系统会对人类活动而造成的环境污染起到净化作用。因为这个系统如同一只强有力的过滤器，通过这一系统的物理、化学及生物学过程，将环境中污染物质起到消解和转化的效果。因此，珍惜和合理使用现有的土地资源是人类缓解地球熵值剧增的有效办法之一。