现代非平衡态热力学若干悖论性基础的探讨.doc

现代非平衡态热力学若干悖论性基础的探讨 一一20世纪非平衡态热力学”形式逻辑反思之五杨本洛上海交通大学自然科学基础研究组，上海200240Email:摘要:在现代非平衡态热力学体系中，之所以出现形式表述方面的大量逻辑悖 论,其根源在相关概念基础隐含的认识悖论因此，从一般逻辑原则考虑，必须首先 解决20世纪中叶由一群 理性主义者”明确提出的 热力学体系理性重建”的命题 本文针对现代非平衡态 热力学若干基元概念中隐含的逻辑悖论进行探讨关键词:逻辑，悖论，不可逆性，热力学态，熵流，熵产，极值原理，耗散结构，混沌1. 引言在20世纪末爆发了一场称之为 科学大战（Scienee War的学术大论战，震动了 整个西方知识社会作为这场论战发起人的物理学工作者 A. Sokal,向人们重新提出现代自然科 学体系兴起时，曾经由16-17世纪西方科学先驱者提出的 理性（逻辑”向往以及自然科 学陈述必需 实体论”基础主张的基本问题从相关论述中还可以 看到个别Nobel奖获得 者以一种难以想象的嗤之以鼻口吻，嘲笑了另一位Nobel获 得者Prigogine曾经轰动世界的 研究结果可以相信：经历了 20年,对20世纪非平 衡态热力学研究的重大成果”公开提出否定的做法极不平常，大致反映现代科学主 流社会的意志或判断。

[1]应该说，针对 Prigogine诸女口 ’人和自然新联盟（new allianee between man and Nature这样一些随意混淆 主观意识”和 客观真实”的思维紊乱，公开提出批判或许 的确耳目一新、发人深省但是，由于缺失任何严肃科学论述必需的严格形式表述 基础,缺乏科学领域以内追根究源”的整体性思索，这样的批判和否定不可能真正切 中要害其实，面对现代自然科学体系的重大命题，当批判者只能频繁使用“相信（believe这样的语词，表现他们信赖Laplace , Botzmann的理念（idea 并以信念代 替他们期望的科学论争时，所有论述同样只能大致隶属于人文主义”范畴，表现为不 同哲学信仰”的争论因此，这样的批判不仅不可能发现Prigogine在科学思考中真 实存在大量思维悖论，没有能力指出20世纪非平衡态热力学研究隐含于逻辑基 础”的认识不当，而且，在客观上只会进一步模糊自 然科学必须遵循的 逻辑自洽性” 原则，动摇自然科学陈述必需的 实体论”基础可以相 信:因为仅仅表现为一种纯粹 人文主义”的信仰，这些批判不可能真正领悟和贯彻 历史唯物主义”的方法论，理性意识到人类的知识体系时时需要面对 历史性和全局性梳理”的逻辑必然。

事实上，正如这些批判特地声言，所有这一切批判“没有任何新鲜内容，一切都是固定和古老 的（Nothing is new while everything is quite standard and old. 充其量只不过 充当简 单维护西方自然科学体系的 辩护士”角色[2]根据一般思维原则，不能将涉及自然科学基础的重大争论曲解为科学家和哲学 家两个不同职业群体间的争论，而是需要科学工作者本身使用严格的科学语言，进 行严肃和认真的自 我反思：自然科学研究是否真的必须服从 Sokal在他发起 科学大 战”中重新倡导的 逻辑原则”和 实体论基础”问题如果仅仅局限于此处需要讨论 的热力学”范畴,那么,则需要认真回答J. Serrin等一批理性主义者早于20世纪50年代已经提出 经典 热力学神秘性 之中必然隐含逻辑悖论”的问题[3]否认逻辑,最终必然导致 自否定”的荒谬;任何容忍矛盾并只能以其为基础的科 学论述，始终致命地陷入矛盾之中因此，无法回避J. Serrin等对经典热力学基础曾 经合理提出的质疑，需要重新确立自然科学陈述必须严格遵循的 逻辑原则”并且努力赋予热力学理论体系同样必须拥有的实体论基础”。

显然，必须进行一种整体 意义”的分析,而这样的探讨是不可能仅仅通过一篇论文完成的 然而,除了前面已经讨论的实际上与纯粹 形式逻辑”相关的问题以外，以逻辑自洽性”原则作为 判断是非”的唯一思维基础，对于与现代非平衡态热力学研究直接相关的若干基元概念进 行初步反思仍然应该是有意义的12. 不可逆性（Irreversibility 悖论”最早公开提出热力学理性重建”命题的研究者，针对经典热力学中熵”概念几 乎明显存在的 神秘性”问题,以及任何神秘性几乎必然隐含 逻辑悖论”问题曾经提 出了合理 质疑反过来，自然科学中任何不当或错误理论体系的构建者，却往往正 需要依赖神秘性掩饰其中的认识荒谬事实上，作为20世纪非平衡态热力学研究最 有影响的领军人物,I. Prigogine不但无视 熵神秘性”中的认识反常，相反将熵概念习 惯认识中的神秘性不当推 至极致，通过不断随意强加 熵”乃至 时间”以许许多多 人 为主观”意念,将只允许隶属于有限论域”的概念以及某种特定形式表述，想当然地 从热力学扩大生命科学，继而再随意扩大至社会科学这样，在Prigogine的研究工 作中,那个被研究的 客观物质对象”实际上失去了基础地位，而代之以诸如将自然科 学与人文科学联系起来一种纯粹 主观愿望”的冲动。

2正因为此,人们不难看到:Prigogine对于热力学概念的理解和诠释几乎完全属于 直觉思考”的范畴，缺乏特定 物质基础”的支撑以及 形式逻辑”的约束作为示例， 此处不妨首先读一读他在《非平衡态统计力学》一书引言中的第一段话 ：不可逆性最早的定量定义出现在热力学第二定律的公式表述之中 在这个公式中,所引进的熵的概念把自然过程划分成熵保持不变的可逆过程和熵随实际而增 长的不可逆过程 然而,这种分类方法纯粹是唯象的，并且,显然不足以建立起不可 逆性与力学定律之间的联 系 [5]通过这一段不长的陈述，人们不难感受到Prigogine对整个热力学描述的理解就 在于他所强调的 不可逆性”之中而且，他在此处所说的 不可逆性”特征，与他在其 它场合反 复强调的 时间一一单向性”特征，以及依赖对这种被赋予 普适意义一一 独立于特定 物质对象”单向性特征所做的前提认定，正是他用以构造可以扩大至生 命科学、社会科学的 理论体系的全部思维基础但是，当Serrin等研究者明确指出经典热力学在 熵”概念上明显存在的 神秘性1上世纪90年代后期，笔者曾经拒绝一位师从J. Serrin学者提出的邀请：共同申 报美国自然科学基金继续 他们所提 热力学理性重建”命题的研究。

其实，Serrin的 工作之所以经历半个世纪尚无法完成，本质上仍然在于违背了自然科学必需的实体 论”基础自然科学中的形式系统，一旦缺乏特定 物质对象”的前提，相应破坏 客观 性”基础所构造 逻辑支撑和逻辑限制”的辩证统一，最终必然无法摆脱一切 约定论” 内蕴的逻辑悖论与热力学相关的较为系统的分析将发表于计划出版的《宏观力学 的哲学和数学反 思》的第二卷，名为《宏观物质粒子本质和热力学理性重建》一书 之中2严格说来，逻辑的本义只能视为一种 同义反复”的等价性表述因此，当面对 统计力学中众所周知的Boltzmann方程与Liouville方程矛盾时，唯一需要做的只能 是认真和严肃探讨相关推理过程必然隐含的演绎逻辑错误,并且，这样的逻辑分析不 存在根本困难但是，Prigogine却凭借变更时间概念的内涵，为统计力学的这个著 名逻辑悖论的存在提供依据任何借助改变概念提供科学解释的方法 ，无疑过分简单、拙劣和自欺，只能将自然科学研究彻底引入紊乱常,并进而敏感到这种反常几乎必然隐含某种 逻辑悖论”的时候，Prigogine的认识恰恰 与这种理性判断背道而驰，没有意识到正是在 不可逆性”这样一些最基本 概念的上长期隐 含着认识悖论。

首先,当人们试图并且接受热力学的描述方法，即通过若干个热力学参数表现一 个本质上是大数粒子构造的宏观物质集合在某一个 确定”状态一一形式上对应于在不再变化边界条件下能够持续存在的状态一一的宏观表象特征时，熵函数和 其它状态参数相比没有也不允许有任何特异性或者说,当人们熟知经典热力学体 系只能建立在 状态空间一一热力学状态参数构造的抽象空间”之中的时候，人们 只能也必须前提性地指出：由借助于热力学状态参数描述的理想化”状态必然差异 于宏观物质的真实”状态;而不能与其相反：一方面缺乏对形式系统的有限论域”和 有限表现能力”做出明确限制，另一方面却又让形式系统中的某一个形式量即此处 所说的熵始终处于 不确定”之中,从而导致整个形式系 统由于形式量不具确切形 式意义而处于彻底逻辑紊乱之中如果着眼于理论物理学体系的整个，人们不难看到,Clausius借助于不等式”引 入熵函数的方式绝无仅有，也极其反常事实上，一旦接受如下所示的形式定义TQdS /> (1使得作为状态参数的熵失去确定意义或陷入歧义的同时 ,整个形式系统相应失去形式上必需 的确定性意义 这种在最基本概念的引入上明显存在的认识反常,才是造成整个热力学体系 笼罩着Serrin等理性主义者所指出神秘性，并且只能 凭借不断添加形形色色人为假设以掩饰这个陈述系统内蕴逻辑紊乱的根本原因。

当然,从认识论的角度考虑，对于式(1所构造形式定义在形式逻辑上几乎明显存 在的认识悖谬,并不能完全归咎于Clausius 一人人们熟知：西方哲学至今无力解决 “何为知识、认识的基础到底是什么、 如何检验知识体系的合理性”等涉及认识论的一系列最基本命 题其实，也正因为此，才可能像S. Wein berg在其著述中特别 提出的那样，人们不可能解 决Leibniz曾经对Newton力学提出 任何与物质客体相 分离的空间概念都没有必要”这个本质上涉及整个现代自然科学体系存在基础、极 其深刻和尖锐的批判进一步说,Sokal以及Weinberg期待和捍卫自然科学必需 实体论”基础的问题并没有真正解决[7, 1]当然，同样因为此，自Newton开创现代自然科学体系之始，曾经为构建现代自然 科学做出开拓性历史贡献西方科学世界没有养成一种严格和必需的良好思维习惯 根据经验事 实，构建自然科学中的任何一个形式表述系统时，必须首先严肃考虑如 何为这个形式系统构造一个决定于被描述物质对象的确定有限论域”问题隶属 于某个理论体系 有限论域”可能加以 形式表述”的现象，永恒差异于自存物质世界 中那些客观存在”并远为 复杂得多”的真实。

因此，一旦Clausius缺乏这种必需的 自我约束”把形式表述的物理现象 和真实存在的物理实在混为一谈，过分幼稚地把他所构建的形式系统当作一个可以描述全部 宏观物质对象的普遍真理”体系，那么，在式(1所示的形式定义中为什么出现一个几 乎过分明显的常识性错误就变得容 易理解了众所周知,只要宏观物质对象存在一个能够用热力学状态参数”表述的热力学 态，而且,也仅仅当其能够存在这样一个 热力学态”的时候,对于这个几何上呈现均匀化特征”的宏观物质集合必然在时间域中 持续”地存在着事实上，只能建立在状态空间”之中经典热力学，仅仅具有描述 恒定不变状态”的能力，相应不具被赋 予独立意义”的时间坐标;等价地说，经典热力学根本不具描述任何 变化过程”的能力，任何涉及 真实变化 过程一一必须逻辑地对应于以时间坐标t作为参变量”的描 述已经超越经典热力学的有限 论域如果借助于集合(p , V , T , S作为 状态空间” 一种象征性的标志，那么，对于建立在状态空间中的热力学而言，必然存在,,,(S T V p t ? (2当然，正因为这个形式系统并不存在真实的时间坐标 t ,才可能引入对应于 时间 域允许无 限长”的所谓 准静态过程”的概念。

另一方面，尽管建立在状态空间中的热力学体系不具时间坐标 t ,无法描述宏观物质发生的 真实变化”过程,但是，这并不妨碍利用状态参数，形。