论熵理论在地球表层

系统研究中的困境

 刘宗超    刘粤生

    摘要  本文用马克思主义唯物史观作指导，在目前系统科学和生态学发展的水平．上

对地球表层重新认识，分析了熵理论和协同学在地球表层学研究中困境。

    地球表层学是一门由我国学者提出建立的，比地理科学更高一层次的基础性学

科正所研究的是地球表层系统的变化规律。本文在作者一系列研究成果的基础上

指出熵理论在地球表层研究中的困境。

一、地球表层是复杂的开放巨系统

    地球表层，狭义的是指岩石圈、大气圈、水圈，生物圈接触渗透和相互作用的部分，

即自然生态圈，它是人类的生存环境，广义的是指自然生态圈与人类社会圈相互作用的

结构系统，它关系到全球系统的结构变异和功能失调。

    组成地球表层系统的子系统数量巨大，种类繁多，其关联又极其复杂，子系统也具

有结构，从而形成多层次的立体网络．地球表层系统不仅结构具有静态复杂性，而且相

对于外部宇宙环境具有开放性，各子系统间也具有开放性。文献’称地球表层系统一个

开放的复杂巨系统，其最大特征在于它是包括人类社会圈在内蕴含着天、地、人新关系

酌全球系统，而且人类社会圈为其中起着主导作用。

    作者曾将地球表层的演化分为原始性自组织过程，生物性自组织过程和智能性

  自组织过程，正是这三种自组织过程的同时作用才使得地球表层系统显示出了现在这种

  自然性与社会性相耦合的复杂世界格局，其共同进化体现为自然界的生态功能与人类智

  力功能相协调的境界，同时也决定了地球表层的未来演化模式。地球表层从结构上又可

  分为三种类型：  自然地理系统，天然生态系统和人类生态系统””。这三大系统是由上

  述三大自组织过程决定的，但是这三种类型的系绕相互交换物质、能量和信息、既相互

  制约，又相互改造，是一个难以分割又有本质区别的功能实体。人类智力系统是地球表层

  智能性自组织过程中最积极，最活跃的因素。

    二、熵理论在地球表层研究中的困境    ‘

目前地球表层系统的研究还处于定性分析的水平，然而熵理论被频繁地用于地球表

层系统的分析，似乎使人们认为可以得出一些有定量意义的结论，实际上，当人们继续

进行深入研究时，却步履艰难，以致于陷入困境[2，4，5，10，11]之所以出现这种

局面，大体有以下几种原因。

    (一)熵概念的泛化和滥化

    熵理论已从狭义的与能量，温度有关的概念泛化到与原意相去甚远的一系列广义

熵．纵观熵的发展史，仿佛是一条进入魔域之路，众多的熵概念，使人难分良莠，很难

清楚其内涵和外延。克劳修斯(Clausius 1865)最初提出的熵函数仅表征了系统的不可

逆性，即宏观的能量分布和退化规律，与分子运动秩序无关。玻耳兹曼(Bolt zmannl872)

羹出了概率熵的关系式，从根本上解决了分子运动无序态的定量问题，普朗克(Plank

1890)为了实用化，将上述两种熵对应起来，引进了一个比例常数k，称为玻尔兹曼常数，

由于量纲偏离了玻尔兹曼的原意，导致了混乱：把不能描述分子运动秩序的克劳修斯

的宏观熵与不能反映能量宏观衰减的玻耳兹曼关系式在质上等价了。申农  (Shannon

：648)提出信息熵，最初被称为不确定性，只是在冯。诺伊曼(Von Neumann)近乎开玩

笑的建议下才提出借用熵的概念[11]。人们在结合具体系统的元素行为特征运用熵概念

时，并未分清楚所使用的究竟是哪种熵。因此，尽管维纳(Wiener)用信息熵来解决麦

克斯韦(Max Well)佯谬，但不等于布里渊(Brillouin)的“信息等于负熵”的提法能避

免概念上的混乱。反而使薛定谔(Schrudinger)的负熵成序说加剧了混乱。因为薛定谔

的负熵仅是秩序量化的一种函数关系式，所以用无法解释分子秩序的克劳修斯熵来解释

生命序，就把复杂系统简单化了。

    上述混乱表现在近100多年的发展中，笼统地应用熵概念，使得熵的谱系中又增添

了与自然科学相关的地理熵、气象熵、人体熵等，以及与社会科学相关的经济熵，社会

熵，文化熵，泛系熵等。尤其是美国社会学家里夫金将熵概念毫无顾忌地用于哲学，心

理学，政治学、社会学及宗教、伦理学等几乎所有的社会学领域[9]，勾画了一幅现在

和未来的世界图景，这就使得熵不仅是个“科学之妖，”而且也成了“文化之妖。”

    (二)“信息就是负熵”的结论缺乏物理意义

    维纳用信息熵解决麦克斯韦妖佯谬时的熵概念对应于玻耳兹曼关系式，而布里渊的

信息就是负熵则对应于克劳修斯的熵函数。在由布里渊[12工，林希茨(H，Linschitz)

仁工3]和奥根斯坦(Augens tihe)仁工4]给出的信息熵与热力学熵的换算关系(1比特：工016

尔格/度)中，显然让信息熵采用了热力学熵的形式(工5)

    (三)玻耳兹曼关系式不能从本质上反映信息

    玻耳兹曼的熵关系式反映的是分子秩序(热学序)的概念，它不能从本质上反映信

息。信息是系统结构有序性及能量有序性的量度。因为对于一个孤立系统。热力学熵的

理论是有效的，否则这种只考虑熵而不考虑信息的单独断言世界走向无序的表述是片面

的。宇宙万物具有熵自发增加趋势，也就决定了它们之间相互作用中的自动发射信息的

属性，即一切存在物既是信源，又是信宿，既然热力学过程有信息参加，那么宇宙万物

就都有自己的麦克斯韦妖在保护。   

    (四)地球表层的序与演化   

    从分析的观点来看，地球表层的原始性自组织阶段，在地内系统和地外系统所组成

的环境中进行着以放射性生成能为主要能源的物理、．化学过程，其能量属于自由度较大

的约约束较少的低质能。这恰是基础的热力学第二定律的用武之地，然而到了生物性启组；

织阶段，地球表层的运功形式不仅有物理的，化学的，而且也有生物的"生物进化所显

示的有序性与热力学系统趋亍最大熵呈相反方闪，这是一对矛盾。薛定谔立足于克劳修

斯熵，并未解决负熵与生命的内在联系，其原因在于克劳修斯熵不能解决序，而玻耳兹

曼熵又不能表达新质的有序。    ．    ．

    普里高津(Prgogine)把熵变分成系统内部熵增加和与外环境相互作用而引起的可

正可负的嫡流，企图用负熵流来解释系统的总熵变。由于立足于克劳修斯熵；仅考虑了

能量的变化，却忽视了结构的有序，而任何热力学过程都伴随着信息的变换和传递，因

此借负熵流概念所提出的耗散结构理论仍然无法说明生物系统在消耗能流、物流的情况

下，何以使生命得以维持，并具有一定功能的内在机制。所谓序，不能笼统地理解为元

素运动行为规则状态，而应看作是运动行为和行为约束簇相互作用的结果，‘即由无约束

行为和相关的行为约束簇相互作用而产生的宏观行为状态。有序和无序不过是这秩序的

两个极限状态。普里高津企图用低层次的以能量为基础导出的热力学髓理论解释高层次

的有生物参与的地球表层进化过程中新出现的新质的努力是不能成功的。在地球表层的生

物性自组织过程中，生物能与低层次的机械能相比，其自由度较小，外界约束多，从而

造成能量分布的不均匀而使结构复杂化。与地球表层的原始性自组织过程相比较，地供

表层系统己从开放齣简单巨系统进化到开放的复杂巨系统，生物性自组织过程不仅使地

球表层的子系统种类增多，而且也使其作用形式多样化，从而使地球表层系统结构有序

上升到主要地位。

  与普里高淖的立足点不同，哈肯(H．Haken)另辟蹊径发展了统计力学，提出协同学

的序参量概念，从而对复杂系统所遵从的普遍规律的定量表述进行了继普利高津第二次

探索后的第三次探索。协同学研究的是远离热平衡的系统，热力学所研究的热平衡系统．

仅为能流趋于零的协同学规律的极限情况。对于热平衡系统，能量只与熵相联系，而由

于开放系统，，能量不仅与熵相联系，同时也与信息相联系。协同学把系统内能(U)分成

可用能(KIT)和束缚能(TS)两部分[16]，K为比例系数，工为信息量，S为熵，T为绝对

温度。这里的可用能与信息相联系，束缚能与熵相联系。在协同学意义上，内能可以在

量上‘守恒，但在质上既有转化成束缚能的熵增过程，也有使可用能增力口的信息过程。哈

肯使普里高津熵解决了宏观现象不可逆而能量守恒又是可逆的矛盾，把承意力集中于宏

观量变与质变，’利用序参量(宏观变量)的支配能力(通过伺服原理支配微观成分的行

为)使系统获得新的结构或功能。    ．

    以往的热力学熵从能量变化出发，忘却了能量的质的转化与信息有关，申农的信息

熵虽然注意到结构的有序性，但没有物理意义，怎样从申农的消除了物理意义的信息概

念回到意义的自创生，是哈肯走出熵困境的最优抉择。    、

    哈肯的序参量概念又称为信息子，是指系统发生了自组织，即出现了信息压缩。这

一新概念用于解决开放简单巨系统是很成功的，但是否可以将生物学完全置于这种观点

之下来加以考察，也还是一个悬而未决的问题。特别是当地球表层系统进入智能性自组

织过程后，人类的出现使地球表层具有了社会性。正如钱学森所说[17]，人是有意识

的，其行为不是什么简单的条件反射，不是有输入就有相应的输出，．人接受信息后要思

考．作判断再行动，而这个过程又受到各种条件影响，．是变化多端的，可称为特殊的开

放复杂巨系统。

    地球表层系统演变状态更替链条的时间系列，可分成历史自组织系统，当前自组织

系统和未来的影系统。历史自组织系统是由过去的原始性自组织过程，一生物性自组织过

程和智能性自组织过程统一为地球表层系统综合作用的历史，当前自组织系统是延续和

依赖历史自组织系统的现存世界格局，但是由于人类的认识作用，又出现了一个具有文

化特征的虚拟的智能性自组织超前的未来影系统，它属于认识论的范畴。它是历史自组

织系统和当前自组织系统的表象或投影，正是这个影系统决定着未来地球表层可能出现

的新格局。这三者的相互作用而耦合的整体大于三者分立齣和。一旦智能性超前影系统

制约了另外两个系统，就出现地球表层中原来没有的东西，这就是进化，如果智能性超

前影系统停留在生物水平上。那就只能被另外两个系统同化，若停顿在物理水平上，那

就要退化。

    智能性自组织过程的特殊性表现在它是地球表层系统中具有两重性的子过程，既有

参与功能又有反映功能。作为参与功能，人类在拥有核能量的年代里对于地球表层的影

响幅度已超过自然界外的两个子过程(原始性自组织过程、生物性自组织过程)的影响幅

度，作为反映功能，它能够根据人类和自然关系的观控水平，调整整个地球表层系统的

序参量组。在哈肯那里，序参量所起的双重作用是一方面它“通知”各微观单元如何行

动，而另一方面它又“告诉”观察者系统的宏观有序情况。然而在地球表层系统，观察

者和序参量冈为智能性自组织系统的两种信息，作为观察系统是结构信息，作为序参量

则为交换信息的结果。因此哈肯的信息子(序参量)还是狭义信息，是客体的结构信息，．

而未与观碧者者主体统一。为了解决地球表层系统的进化问题，笔者提出了地球表层系统

的信息增殖概念，试图使熵理论在地球表层的研究中走出困境E18工。

    一个科学概念，一旦失去了内涵进行外延，就会失去本来的科学意义，恰如打开了

“潘多拉”魔盒，使熵之妖横行于世，这绝不是克劳修斯的过错，倒是我们应该重新审

视自己的虔诚，应该从熵的宗教般地盲目崇拜中解放出来，使地球表层学的研究注重于

内禀特征的深入认识，走出熵的迷雾。