李玉山：熵的本质与宇宙生命创造演化

编者按：
热力学熵的概念是西方德国热物理学家克劳修斯作为热力学研究中的概念提出来的。但什么是“熵”？一百多年来莫衷一是。中国船舶重工集团公司高级经济师、工程师李玉山所作的《熵的本质与宇宙生命创造演化》的报告引起学术界关注。李玉山希望他20多年前的研究成果能够早日得到承认，也非常希望通过学术争论得到专家学者的指正。现刊登李玉山《熵的本质与宇宙生命演化》一文的基本观点，以期引发讨论。
问题的提出
熵的问题最早是19世纪60年代德国物理学家克劳修斯(Clausius)作为热力学研究中的概念提出来的。1867年，克劳修斯在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上，提出熵的概念和宇宙的热寂说，引起了科学界乃至欧洲社会各阶层人士的极大关注，从此一场旷日持久的争论便展开了。自克劳修斯提出熵这一问题后，一百多年来，熵问题的讨论已波及到信息论、控制论、概率论、数论、天体物理、宇宙论和生命及社会等多个不同领域。但由于自然存在的复杂性，使熵的定义出现了极大的混乱，各种议论概念含糊、问题矛盾多多。究其根由，恰恰是历史上所有经典的熵理论概念含糊，甚至是错误的，反映出有关研究并没有把握到自然生命与热物理过程的实质，才导致了熵问题讨论的极大混乱。
显然，在弄清楚自然的宇宙生命系统和热力系统演化过程的普遍规律和机制的基础上，重建熵的概念已经势在必行。这个问题的解决，将是当代世界科学前沿的重大原始创新突破。
从宇宙生命系统和热力系统的演化过程规律看熵问题的本质
从自组织、自成长的“增势”过程到自衰落、自死亡的“熵增”演化过程。
我们都知道今天的大千世界是自然进化而来的。我们说进化，是说自然生命的进化是一个逐级演进的过程。进化与演化是有着不同概念的，进化强调的是生命系统演化前期（包括热物理系统）的“增势过程”，而演化则强调的整个生命的周期过程，包括前期的“增势过程”和后期的“熵增过程”的周期性涨落。增势过程是自组织自成长的过程；而熵增过程则是自衰落自死亡的过程（包括热动力做功的过程），演化包括了生命系统从出生到死亡的全过程；而演进则是说明生命系统在周期性涨落的演化中不断进化。作为自然生命系统的演进，既包括细微的小梯级进化，也包括跃迁式的大层级进化。而在整个地球生命系统演化过程中，生命的大爆发和大灭绝是交替出现的，并且到现在地球生命系统一直在演进着，但已经到了地球生命演进的最高层次――人类社会的演进过程中。
自然的宇宙是一个广义的生命系统，在自然创造演化的每一个层次上都存在着不同自然进化等级的广义生命聚散演化过程。自然生命创造演化的意义就是：开放的自然存在可以在创新的意义上跃迁进化或“涌现”成为高等级的自然存在。在自然规律的使然下，物极必反，经过一定的周期又走向衰落和死亡。在这一过程中又会发生向更高等级生命形态的跃迁进化或涌现。当然在整个宇宙生命演化过程中的进化等级的有限的、更是有道的（道是自然演化最普遍最深刻的最根本的演化规律，是所有自然存在演化都绝对遵循的规律，在中国古代大科学思想中有着无与伦比的精深论述）。
在宇宙生命自然演化的意义上，熵概念的本质是生命系统（机体）创造机能下降，熵增的过程是生命系统自衰落自死亡的老化过程。
工程热力系统具有人工生命系统创造演化的意义，也存在增势和熵增的过程。这种增势和熵增的过程有两个层面的意义：一是热力工程机械创造与初期运行的增势过程，即热力机械的制造与运行初期的磨合过程；其后是熵增过程，即热力机械运行经过磨合后达到了额定最大功率，可以正常运行以后，即开始了熵增过程。热力机械系统开始因磨损、热疲劳和机械疲劳而逐步发生老化，直到效率不断下降、事故不断发生，最后报废。二是热力机械系统的热力循环过程中的“势增”与“熵增”的过程。
熵的本质意义与机能熵和工质熵
自然生命系统的呼吸涨落与工程热力系统热力循环的涨落效应，都不是“可逆过程”而是循环过程，熵的本质意义是表现在每一次呼吸涨落或热力循环所导致的系统长程演化的机能效率的衰减效应。这种效应称为机体熵或机能熵。
熵的一般意义就是：丧失、衰落、损耗，表征系统机能效率的衰减或创造能力下降乃至于丧失。
熵的本质是从“有创造力到丧失创造力――丧失自发行为”。克劳修斯的“孤立系”熵增试验模型所表达的就是系统从有结构――有序、有信息、有自发创造力，到无结构――无序、无信息、无自发创造力（死寂）的演化过程。自组织、自成长、自创造，是宇宙生命系统的本能。
作为工程热力系统的对外做功过程，也是一个势能（位能）的释放过程或工质内能的散发过程，是工质的耗散演化过程。对于气体工质而言，在高位能的势态下具有较高的做功能力或具有较高的创造活力；当工质的气体位能与环境一样（均衡）后，则工质的有效位能为零，自主活力为零――创造力为零――丧失了继续做功能力，成为废气，这时热力循环系统的工质状态熵达到最大。
自然生命系统的势增所表达的是生命创造力和自主活力不断增加的过程，是生命系统对物质、能量和信息（知识）不断聚集发展的过程，而生命结构的秩序是来自于生命基因的“导演”，但生命时间周期演化的过程控制（作为有机生命仍然存在基因的直接有道控制表达）则是来自于自然生命演化之道的控制。而生命系统的熵增则是表现为生命创造力衰减或自主活力衰减，是生命系统对物质、能量和信息（知识）转化机能下降及不断损耗散失的过程，而生命结构机能的弱化则也是来自于生命基因的“导演”，但生命时间周期演化的过程控制（作为有机生命仍然存在基因的直接有道控制表达）则是来自于自然生命演化之道的控制。
为此，我们把自然生命系统和工程热力系统演化的熵称为“机体熵”或“机能熵”，也可以称为“系统熵”，这是真正意义上的熵，具有广义生命演化意义上的熵，体现了生命系统衰落的过程或工程热力系统长程运动损伤做功效能衰减的过程。而作为热力学意义上的热力循环过程中的熵问题，则可以称为“工质熵”。在一般热力循环意义上是一种吐故纳新的过程，讨论工质熵的意义是为了解决热机在每一次热力循环过程中的热效率和有效功率问题。提高热机工作热效率和有效功率，是通过研究不同热力参数的热力循环过程的热效能来实现的。工质熵是热力学研究的范畴，所以工质熵还可以称为“热力学熵”。
小结
我们把热力学熵称为工质熵，而把系统熵称为机体熵或机能熵。这是两种性质完全不同的熵概念，工质熵是一个相对函数值，对热力系统的热力参数的热效率对比选择研究很有意义；机体熵是一个状态函数值，对热力系统的热效率和机械性能研究同样很有意义。工质熵的热效率问题在热力工程的设计研究过程中有意义；而热力系统的机体熵则是在使用维护过程中有意义，两者有本质的不同。