主题：熵的世界观之一—物理学部分 -- 钛豌豆
家园 熵的世界观之一—物理学部分 在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定整个企业的经营方式和方法，而能原理仅仅充当簿记，平衡借方和贷方——REmden
1．从永动机说起
人人都知道永动机是不存在的,但这是为什么呢?大家大概都会回答能量守恒定律.然而有一类永动机并不违反能量守恒定律.比如,若有办法不以任何代价使处于环境温度的水稍微降低一点温度,把所释放出的能量全部拿来作功。，这就是一种永动机,因为它所提供的能量实际是用不完的.我们凭着直觉就知道这是不可能的.但是物理学家不能用直觉来解释世界,所以他们引入了熵这个概念.
物理学家的解释是,能量不仅有数量上的改变,而且有质量上的改变,即能量退降（degradation of energy）.能量 和纸币一样是会贬值的. 贬值的纸币不能购买与先前同样的实物,而贬值的能量不能作与先前同样的有用功.上文提到的永动机不能实现,就是因为单一热源提供的能量是贬值的.所谓熵,就是能量贬值的程度.熵值越大,能量贬值越厉害, 能作的有用功越少.能量能作出多大比例的有用功，由它的状态决定（关于熵的一些知识:熵是态函数,即熵值只与物质的状态有关. 熵的定义是热温比，即ds／dt）。
2．太阳的意义。
我们知道太阳对我们意义重大，但究竟有多重大呢？就是说应该怎样量度太阳对我们的意义？如果说用能量来量度，那么就有如下问题：从长期来看，地球的能量收支是平衡的，从太阳接受多少能量，就辐射掉多少；否则地球就会变得越来越热或是越来越冷。那么，让我们想象以下几种情况：太阳给予地球双倍能量，地球同时散发双倍能量以保持平衡；太阳给予地球一半能量，地球同时散发一半能量以保持平衡；太阳表面温度升高1000摄氏度，但给予地球能量不变；太阳表面温度降低1000摄氏度，但给予地球能量不变；这几种情况下，地球的能量总收支都是一样的，那么地球是不是基本保持原状不变呢？不是。实际上，真要这个变法，地球非天翻地覆不可。
因为这几种情况下虽然能量收支大致相等，熵收支却大不一样。熵的定义是热温比，即热量除以温度之熵。设地球吸收太阳辐射的功率是w，太阳表面平均温度为T，地球上层大气平均温度为t；则地球每秒获得的熵就是
W（1／T－1／t）
可以看出，在以上的几种假设中，这个式子的结果是差别很大的。那么，这个差别有何意义呢？意义很大。因为“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到‘负熵’”。而生物得到的负熵归根结底是来自太阳，至少至今为止是。那么，太阳给予地球多少负熵当然事关重大。
写这些文字的原因主要是想印证一下自己的观点，请大家多指教。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 很早以前就有这本书啦 中文名字叫《熵—一种新的世界观》，原作者忘了，大约是80年代成书（我买的是第N版了）
我买过一本。虽然不完全同意其将物理概念做无限上纲的哲学解释，但大意还是不错的。
家园 花，好文 家园 【讨论】环境与地球 设地球吸收太阳辐射的功率是w，太阳表面平均温度为T，地球上层大气平均温度为t；则地球每秒获得的熵就是W（1／T－1／t）
可以看出，在以上的几种假设中，这个式子的结果是差别很大的。那么，这个差别有何意义呢？意义很大。因为“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到‘负熵’”。
考虑环境对地球的影响，除了考虑地球从环境获得的熵外，还应考虑地球给环境的熵。按照平衡观点，获得的热量和辐射的热量是相等的，而宇宙背景温度为3K。同样按照您的公式，地球传递给宇宙（环境）的熵是W(1/t - 1/3).
室温t为300K， 太阳温度大约为6000K。这样算下来，地球从环境得到的是正熵而不是负熵。
家园 老兄似乎理解错了 地球从宇宙收到的熵流是w/T,传递给宇宙的的熵流是w/t.二者的净差是豌豆兄的w（1/T-1/t).
为什么背景辐射没有给地球传递熵呢？因为热量是从高温的地球流向背景辐射，根据ds=dQ/T可以看出熵是高温热源流向低温热源的。整个过程中背景辐射熵作为低温热库，熵增加w/3。仔细看就会发现地球向宇宙传递了w/t的熵，结果背景辐射增加了w/3的熵，在地球向宇宙空间散热整个过程熵增加了，这正是熵增定律的体现。
家园 是w的问题 宇宙背景辐射带来的熵，也要用宇宙背景辐射的功率而不是地球吸收太阳辐射的功率。
这里解释一下，从熵的角度看，所谓环境，就是地球之外一切热源的集合。要计算环境对地球的总影响，就是把W（1／T－1／t）对每个热源使用然后求和。即
总熵流=W1（1／T1－1／t）+W2（1／T2－1／t）+W3（1／T3－1／t）……
在这种程度的估算中，地球上层大气平均温度可视为恒定，而W和T则因热源而异。容易看出除了太阳辐射之外的热源，对地球的功率都太小，相对太阳都可忽略不计。所以只考虑太阳就可以了。西人有“天狼星虽亮，晒熟葡萄还是靠太阳”之语，本是文学的譬喻，却也可用来形容这里的情况。在第一部分中我一时犯懒没把详细过程写上，在这里补上。
家园 按钛兄的公式，你需要考虑地球对外辐射的功率。
家园 社会热力学--一篇blog 前一段时间在自己的space上面胡诌的一篇。数理基础很薄弱，书也读的不通透，和一下，大家轻拍。
上学期ta本科生pchem，无奈重拾起当年学得稀里糊涂的Thermodynamics。毕竟教学相长，有一些进益，也产生了一些零碎的思考。虽然是胡思乱想，仍然希望能给予它们一个合乎逻辑的框架。大学之道，自格物致知始，终于国治而天下平，逻辑上层层推进的体系。热力学的规律主宰这物质世界的变化，也最终主导了人类社会。虽然是“民科”，亦不敢忘圣人之言。
首先面临的问题是选择体系。随我们所愿，这个体系可以是一个人，一群人，一个阶层，一块地方，一个国家，甚或全球。理论上讲宇宙中剩下的一切全部归于环境，但这样一来的问题会变的过于庞杂，因此必须定义近似的封闭体系，即只选取与研究体系有明确物质与能量交换的那部分为环境。在必要的时候需作进一步简化，只考虑主要相关。
热力学的第一定律很好理解，能量转换守恒。维持生命需要能量，人类进化到此更生出无数其他需求，早已超出了维持生命的范畴。虽然如此，我们姑且把维持社会运转的所需要的一切资源都当作能量来考虑。在人类没有获得新的能力去扩展自己的活动边界以前，社会资源的总量是一定的，此处多则彼处少，在现代社会人们通过生产和贸易实现资源的转化与交换。
第二定律的熵判据决定了一切变化的自发趋势，从熵的视角来看社会问题很有意思。任何生命都是一个高度有序的复杂体系，只有结构精巧的器官协调运转才能保证最基本的活动，换言之，生命体的熵值越小越好。人类即为宇宙之精华，万物之灵长，概莫能外。我们说一个人身体健康，并不是看他多么强壮，而是指其身体的各部分工作协调，一旦失调便是患病。社会也是如此，一个社会是否良好并在于其占有的多少财富资源，而是看社会秩序是否井然，社会成员是否各安所位各得其所。所以孔子说：不患贫而患不安，不患寡而患不均；孟子讲：天下定于一；墨翟粗暴简单的“尚同”。古代讲大同世界，如今所谓“和谐社会”，这一理想从来都没有改变。可以定义：好的社会就是一个熵值尽可能小的社会。
可是热力学第二定律告诉我们熵总是自发增大的。在人类社会中执行这一趋势是人无穷尽的欲望，解决矛盾的方式无非两种，一种是禁欲，古希腊的伊庇鸠鲁学派，宗教中一些持戒的派别，是为代表，中国传统哲学思想在演化中也倾向于这一途径。从理论上讲似乎没有问题。有人曾做过研究，地球现有的资源完全可以满足六十亿人过上衣食无忧的生活。然而社会是一个混沌体系，由克制欲望达到的平衡是一个非稳态，任何轻微的扰动就会打破平衡使体系坠入纷乱的深渊。可以考察一个小规模的简单模型，100个体拥有足够生活的资源，如果大家都是“好人”，那么相安无事，如果突然有一个人生了歹念，那么势必是这个最先变“坏”的人占有优势，他的基因有更大的机会得到繁衍。自私并不是到人类思维的产物，而是进化中的自然选择。所以美好崇高的道德是一个人自身的修养之本，试图从这个角度根本地解决社会问题便似水中捞月。另一种便是尽可能的使欲望得到满足，现代资本主义将这一方式发挥到了极致。其具体做法就是尽量从外界夺取“能量”对体系做“功”，以减小体系内部的熵。根据第二定律，体系与环境的总熵变仍然是正值，封闭体系的熵总是增加的。可惜人类的能力尚未能延伸到足够远的地方，我们造成的影响就在我们身边。中国需要工业化城市化，大部分人口所在的农村就得忍受不公平的剥削；部分发达国家生活福利节节攀升，而欠发展国家的生存环境每况愈下；人类社会内部取得的成就越来越多，自然环境的压力却越来越大；一部分人想开便宜汽车，另一部分人就有可能在战乱中挣扎。人类设计出了国家，政权，法律，军队用以维持“体系”与“环境”之间的边界。任何一种竞争都可以看作是将自身的熵值转嫁到他人身上的行为。而合作这是两个体系将边界暂时融合的过程。天之道，损有余而补不足，人之道则反之。归根到底其实都是热力学，前者是化学势决定的物质运动，后者是生物降低自身熵值的基本属性被人类能力强化的结果。
人类社会为热力学所支配，总有人会觉得不甘心。科学史上数百年来对永动机的兴趣从未消减过，社会发展史上两类永动机的梦想也是层出不穷。我们把违反第一定律的叫做第一类永动机，其特点是能量不守恒，凭空获得做功的能量。违反第二定律的叫做第二类永动机，希望对体系做功而对环境不留痕迹，一个具体的例子便是设想把海水的温度降低一度，获得能量就够全世界用许多年。宗教是第一类永动机，天国，人间，地狱或者六道轮回，均由不受物理规律控制的神灵或者超自然的力量提供取之不尽的能量。第二类永动机是共产主义。共产主义理想是一个熵值非常小的社会，每一个社会成员都各尽其能，各取所需，天下大同，世界归一。然而要把整个地球的熵值降低则必须存在一个相对的环境，从那里获得能量，同时环境的熵增加，以满足第二定律的要求。这个体系的稳定取决于能否从环境中获得足够多的能量做功，以及环境是否离体系足够“远”，或者环境足够大，使增加的混乱度不至于影响体系。一方面人口增多，人类的欲望也不断增加，体系类的熵值需要更多的功来平复，另一方面人类也不断发展自己的能力去开拓环境。可惜原始社会以降，前者的增长远远超过了后者，因此三代之治不复，夫子久不得梦周公。工业革命似乎让人看到了从征服环境到最终征服自我的希望，于是国际共运风起云涌，最终发现不过是打开了另一个潘多拉魔盒。在此顺带鼓吹一下，我认为下一次技术革命将会由新能源技术来推动。能量事实上是最重要的资源，很多关键的资源其实并不稀缺。只要不惜能源，如淡水、粮食、各种稀有元素材料，理论上都能解决。新能源将推进我们从环境获得“有用功”的能力，同时无论是清洁的电动汽车，还是太阳能，都能将环境熵值增加所产生的影响大大降低。这将是改变整个人类生产生活方式的一场革命。
那么热力学第三定律是什么呢？这句话明确的记录在独立宣言中——“人人生而平等！”也就是说在一切一切的最初，大家都一样，没有任何混乱度，体系的熵为零，就像物理世界中绝对零度熵值为零一样。其实这里的要点并不在“平等”而在“生而”。杰弗逊在起草独立宣言时选取了“created”一词而不是汉语直译的“born”，使得这个初始的授权于不来源于已有高下贤愚之分的人之父母，而是直接受之造物主。这是非常准确的，热力学第三定律认为，绝对零度只能接近无法达到，那么一旦离开理想状态，带上人类的属性，绝对的“平等”也就是痴人说梦了。智商，体力，各种天赋由遗传决定了大半，家庭环境、社会地位等属性也由出生定，所以我们并不平等！“平等”这个问题曾经困扰着我，百思不得其解，最终退而求其次寄希望于“机会平等”。个人禀赋虽无法改变，主观的后天努力却完全由个体自身决定，而社会应该形成一个让每个人能自由选择自发努力自我负责的机制。这个想法使我长期以来感到不安，因为在我深知我所处的世界便是极不平等。一直觉得在某个偏远的山村有一个骑在牛背上的少年，他的聪明才智不逊于我，却没能获得同样的机会，在我一步步踟蹰远行的时候，他却早早地成了潦倒的丈夫一个酗酒打孩子的父亲。我并不认为我的生活的比他高尚，但我深深地为他所没能获得机会而惋惜。而且我明白这个社会在我出生的时候就把我置于剥削者的地位，我的并不幸福的今天也是由许多个这样的不幸换来的。第二定律是不可违背的，如果把我们放在同一条起跑线上，我们必定会竞争有限的资源，提高自己生活“有序”而增加外界的熵值，到头来我们中间仍然有成功者与失败者。这是一个可以接受的残酷现实，因为它和于理性。但先天的不平等必须变革。如果在这些同类中我是更有能力一个，那么我应该报恩，或者说需要赎罪。
理想就在绝对零度之上！
家园 熵增定律非常重要。 它的背后隐藏着宇宙运行的本质规律。我相信它是将来的物理学大统一定律的一个非常重要的组成部分。
它作用于生命，由此而深刻影响我们（号称万物之灵的智慧生命）的哲学——世界观和方法论。
家园 熵的世界观之三——历史学部分 人类的历史，也是在反复①-④的周期。在④阶段，如果能找到更多的负熵源，或者开发出新型的负熵源，历史就迈出一步，否则就只能从头再来。与动物不同的是，人类具有智慧，可以开发出前所未有的技术与组织，在不改变身体结构的情况下找到新的负熵源。
历史不仅仅是时间的积累。也不仅仅是国家的兴衰。旧石器时代长达约250万年，新石器时代约5000年，农业时代也有几千年，而工业时代只有最近四百年而已。这种划分方法已经可以说明历史的脚步不是与时间等比例了。否则各历史阶段的时间不会相差如此悬殊。从这种划分就可以看出，历史可以长时间停滞不前。在这个长时间中也有政治斗争和重大事件，但后人不会依那些政治斗争和重大事件来划分历史。比如，黑格尔就认为：中国的历史从本质上看是没有历史的，它只是君主覆灭的一再重复而已。只有具备了新的负熵获取手段，历史才能前进。只有在组织、技术或者道德文化等领域有了本质改变之时，人们才会认为历史进入了新的阶段。
人类一开始的负熵来源是狩猎-采集，之后狩猎-采集生活方式越来越不经济，耕种取而代之。冶金技术的进步使得人类能制造出更沉重更结实的金属犁。新的犁能够开垦旧式犁耕不动的肥沃但又沉重的土壤，但人力不能驱动新的犁，于是有了牛耕。
几千年来，农耕社会不止一次地经历①-④的过程，但却没能找到新的负熵源，所以，历史长期在治乱循环中停滞。如果没有新的负熵获取手段，历史是无法前进的。打破这一循环的是英国。
人类进入工业社会，是因为工业革命。而之所以发生工业革命，是因为英国开始大量使用煤炭。而英国之所以使用煤炭，就是因为进入了④阶段，具体表现为木材危机。后来著名的煤港纽卡斯尔城，在亨利二世时因为木柴告罄导致有人活活冻死。人们不得不使用煤炭御寒。如今我们把煤取代木材看成是一个飞跃，是进步势力的巨大胜利。可当时的人们却不是这样认为。煤在当时受到鄙视，是劣等能源。煤很脏，带来了大量污染。1631年埃德蒙豪斯哀叹道：“人们只能以煤取火，殷实之家亦不例外。”而教皇皮厄斯二世出访苏格兰时，吃惊地发现衣衫褴褛的贫民排在教堂门口“接受教堂施舍的黑色石块，然后心满意足地离去。他们燃烧这些黑色石块，来代替他们国家所缺乏的木材”。其实，只要同时具备了使用煤的可能性和必要性，历史就必然迈出脚步。因为人类总是会为新的负熵源找到用途，就像官僚总是会为新的税收找到用途一样。
之所以历史在且只在有了新的负熵源时迈出脚步，其理由已经包含在第二部分中了。新的负熵源通常需要处理更多的信息才能被利用。而人类的智慧使得人类可以在身体结构基本不变的情况下，发展出新的组织和技术来处理更多的信息。而动物要处理更多的信息往往要改变遗传信息才行，显然速度慢得多。就是说人类更可能在其它动物之前掌握新的负熵源，所以人类才会在竞争中胜出。
负熵源还会通过载体的不同影响历史。负熵源的物质属性不同，对其最有效的利用方法也就不同，也就要求人类使用不同的生产、生活方式去利用它。比如，农业时代的负熵源是农业产品，农业产品具有如下属性：不断地变化流动，从来不会静止而是始终处在生成的过程之中，很难对它们进行精确的测量，更难进行远距输送，有明显的循环周期，各部分有明显差别（比如一株植物的叶片与它的茎或根）。而工业时代的负熵源是矿物燃料，矿物燃料具有如下属性：可以用无差别的数目字来计算，可被一分再分而个体部分仍有着与整体相同的性质（一小片煤屑与一大团煤在结构上几乎毫无差别），容易进行一定量的贮备，容易对它进行数量分析和精确计算。这两种负熵源的区别几乎就是两个时代文化的区别。一个时代的文化与它的负熵源息息相关，农业时代的文化不能移植到工业时代，而工业时代的文化移植到只能以木炭为燃料的社会也之会是悲剧。
可见，负熵源由于其获取方法和物质载体的不同，从根本上塑造了人类社会。正如费尔巴哈所说：你吃下的东西构成了你。不同的负熵源对应不同的社会，改变负熵源就会改变整个社会。我们通常称之为历史的脚步。
在此基础上有两个有趣的推论。第一个是关于普世价值的。人类总有一天会发展出普世价值。因为负熵源的门槛是越来越高的，总有一天会高到必须全人类协作才能利用的地步。那时的价值观理所当然就是普世价值。
第二个是关于历史终结的。历史在且只在有了新的负熵源时迈出脚步。那么，人类找不到新的负熵源时，历史自然就终结了。敏锐的河友可能马上就会发现，这其实就是普世价值的下一个阶段。既然已经用到了必须全人类协作才能利用的负熵源，那门槛更高的负熵源当然就是全人类协作都不能利用的了。再考虑到任何负熵源都是有限的，那时其实离人类的终结也不远了。不过不要紧，按驿路梨花的哥白尼算法，那一天还远得很。再说，毛主席早就说过，人类消亡了也会有更强的物种。。。确实得比人类强，因为它们要从人类的终点之后获取负熵啊。
家园 转自己的一点东西来看 ..............经济活动本质上就是人类采集和利用负熵的过程。
在工业革命以前，负熵基本来自植物从太阳能转化而来的低熵化学物质。人类和驯养的动物通过饮食补充负熵，而采集和进一步利用负熵的工作如盖房子、修路、耕地、纺织等工作都需要人力和畜力来完成。至于其他的一些次要负熵来源，如水力、风力、木柴的热量等因为携带和转化困难，规模和形式都不稳定，只在少数特定场合或地区才得到广泛利用。这些辅助的负熵源地域性很强，一般只能用于特定的工作，不能象人力和畜力一样通用化，所以储量再丰富也无法取代农牧（渔）业的地位。
农耕地区太阳能所能提供的负熵流是有限的，光合作用的转化效率基本稳定在0.02%（能量基数计入植物之间的空地所吸收的太阳能），生物界食物链中各层次之间的负熵传递效率一般也无法超过15%-20%的上限，所以以低熵植物化学能为基础的经济必然存在一个由气候、地理、植物物种确定的规模上限。这就是前面几章总结的农业社会基本规律的物理基础。
在农业社会，不仅经济体系能获得的负熵流量存在上限，人类利用负熵流的效率也很低。灵长类动物固然拥有最灵巧的手，但与机器相比，人手的效率和加工精度依然很差劲。大部分低熵物质或负熵流只能通过一次性释放的方式利用其一小部分，比如煤炭或木柴只能用来取暖，风力和水力只能直接用来驱动帆船和水磨。如果人类试图储存或引导负熵流，使其以最合适的方式释放以提高利用效率，低精度的手工劳动和简单工具往往会对负熵流造成极大扰动。随机扰动意味着增加系统的混乱度，即提高系统的熵，所以扰动本身会造成极大的负熵浪费，对负熵流进行多层次复杂利用是不经济的。设想一下，如果有人想在公元前后制造蒸汽机，让煤炭里蕴涵的低熵转化为通用化的动力，以当时手工业制造汽缸、活塞和传动机构的精度，恐怕造出来的机器连现代蒸汽机10%的效率也达不到。再考虑到以手工业制造和维护蒸汽机所需要付出的负熵，这样的机器在负熵核算上必然是亏损的，还不如直接用人力推动机器更划算。要想改变这种低下的负熵流利用效率，只有改进工具和基础设施。但工业社会里的手工工具与基础设施不可能由双手直接打造出来，即便不考虑建设问题，光是维护这些工具（本身也是低熵物质，很容易向高熵转变）所需要的负熵就足以耗光农业社会的人力。所以工业革命以前的农业社会比今天的纯农业地区还要落后的多。
现代工业社会与农业社会最大的区别就是负熵来源不同。现代社会的负熵主要来自地下的化石能源 ，如煤炭、石油、天然气、泥炭等等。这些负熵源可以推动机械，不仅可以完成原来靠人力或畜力完成的工作，让人类从艰苦、无聊的简单体力劳动中解脱出来，还能完成许多古人根本无法想象的工作。现代身边的一些寻常物品，如多层住宅楼、镜子、金属炊具等等，其工艺水平和生产规模都远远超出了农业社会的经济极限。前所未有的负熵流给了人类社会改造自然的强大能力，人类得以开发利用一些以前因埋藏过深或提取困难而无法利用的低熵物质（如太阳能、浅海石油平台），这反过来又加强了流入经济体系的负熵量。尤其是在电力技术得到广泛应用以后，人类社会不仅靠开发一次性的化石能源来维系经济运转，水力发电、风力发电、潮汐发电和对太阳能的直接利用使得工业社会中可持续的负熵流入也远远超出了农业社会。
除了负熵的来源大大扩大以外，工业社会对负熵的利用水平也远胜前代。煤在农业时代只能用来烧饭取暖；在工业社会，同样的煤不仅可以通过大型锅炉和热力管道带来更多的温暖，还可以作为化工原料做成各种器物甚至纺织品。原来大部分通过烟囱和煤渣耗散的负熵如今可以被更充分的利用。工业社会还发展了自动控制机构和计算机等“管理机器的机器”，人类从此不仅可以让机械替代自己的肌肉，还可以用机械替代部分脑力劳动，大大提高对利用负熵过程的控制精度。所以，即便有一天化石能源消耗殆尽，已经进入工业社会的人类也能够享受到远胜前代的生活。（其实，从信息=负熵的角度来说， “提高负熵流的利用水平”也可以看做另外一种扩大负熵源的方式，但这样分开讨论更有利于理解问题。如果读者对这个问题有兴趣，可以尝试寻找一种通用、简单的描述方式，把两者统一起来。这种统一的描述如果存在，必将大大简化社会学和经济学的物理描述）
根据前面的讨论，工业社会与农业社会的经济基础因负熵流的来源和利用水平不同而存在本质区别。因此从农业社会向工业社会的转变关键就在于转换负熵流的来源与利用方式，这就是“工业化”的含义。
不过，“工业革命”这个词不仅包含了“工业化”的内容，还意味着“革命式”的变化而不是长期渐变。在真实的历史中，从1781年到1830年，还不到2代人的时间，英国在农业-手工业社会的基础上创造了第一个工业经济。随后这个工业体系又花了2代人的时间扩展到大半个世界，确立了工业对经济的统治。在"漫长的19世纪”（从法国大革命到第一次世界大战）中，工业不仅用铁路、机枪和战舰征服了世界，还以廉价商品和流水线彻底改变了平民的生活与工作方式，甚至对千年不变的宗教与文化的神圣性构成了威胁。这种触及每个人的变革从发端到席卷世界，前后只用了100年左右的时间，比蒙古骑兵的征服速度更快，范围更广，影响也更深刻（成吉思汗生于1167年，1281年元朝远征日本未果，1303年蒙古人袭击印度失败，全面扩张结束，历时1个多世纪）。习惯于渐变的人类社会上层建筑无法在同样的时间内适应新的经济基础，不得不以革命、战争这种大动荡的方式来赶上经济基础的脚步。我们之所以称18-19世纪之交英国所发生的产业升级为“工业革命”，原因也正在于此。
前面费了几千字的篇幅，其目的就是要为工业革命做出一个清晰定义——在一个相对较短的时期内，农业社会通过向生物界以外寻求负熵来源、同时提高负熵利用效率的方式极大的提高了经济的规模和水平。有了确切定义，我们才好探讨工业革命的前因后果，把工业革命与同期的其他历史事件区分开来。
工业革命（以下特指发生在英国的第一次工业革命）有2个关键点：蒸汽机和机床。其他的标志性成就如铁路、蒸汽船、铁桥、化工厂、大规模冶金、流水线等不过是这两个关键机械与传统技术和人力结合的产物。如最初的铁路是蒸汽机动力与机床加工的铁轨结合的产物，早期蒸汽船是帆船时代的船体与蒸汽动力结合的产物，化工厂是原有的经验性生产技术与金属机床提供的标准化设备合作的产物，现代纺织工业是蒸汽动力和以金属部件制作的工作机的结合.....因此分析工业革命必须先弄清楚这两个关键点的作用。
先说蒸汽机。虽然人类很早就认识到了蒸汽可以产生推力，甚至在公元前后就有数个文明曾经制造过早期蒸汽机（不能往复，只能一次膨胀，没有用于经济部门的记录），但蒸汽机真正的应用于生产却是在1700年前后的英国。最早实用化的蒸汽机并没有被当时繁盛的纺织业所采用，而是服务于矿井，主要用途是在煤矿中抽水，有时也用来为较深的巷道通风。这是因为当时的蒸汽机非常笨重，只能做往复式运动，效率低下，同时煤炭或木柴的价格相对人力还很贵，因此蒸汽机只在煤矿这种工作简单、煤炭价格相对便宜的地方取代人力。
不过，读者应该注意到一个非常重要的事实：这种蒸汽机的动力来源正是来自它所服务的矿井！（注意，这里是本书少数几个关键点之一）早期蒸汽机的效率虽然低，但应用于矿井还是能降低煤炭的采掘成本，而煤炭价格下降又使蒸汽机的适用范围增加。这种循环促进的增长方式在工程上叫正反馈循环，意思是两个条件可以互相促进激励，从而达到循环扩大的效果。正反馈循环增长如果没有边界限制或回报率下降的话，可以无限的进行下去。在当时的英国，增长边界就是市场上的煤炭净需求总量和可以用这种早期蒸汽机辅助采矿的矿井数，一旦到了这个边界，这种指数性增长就要停止了。不过，由于蒸汽机辅助采煤是一个从无到有的过程，蒸汽机的基数非常小，对早期煤炭开采的影响有限。因此，即便到了18世纪后期，英国的蒸汽机只有200台或更少，并不是所有的矿井都得到了蒸汽动力的支持。在基数较低的前提下，新增加的蒸汽机依然可以带来效率增长，因此这种能源开采—动力机数量互相促进的增长到了工业革命前夕仍在继续。
机床的发展是另外一个关键点。在工业革命以前，人类所拥有的工具、器物或艺术品所具有的精度是有限的，因为人类手工切削、研磨的能力存在极限。常用的木头、石头等物质韧性和抗磨损性太差，金属加工起来太困难。特别是工具本身的粗糙决定了产品也不可能很精密。如果不惜代价的话，可以让经验丰富的工匠反复制作同一型号的的产品，靠概率碰运气，以极高的废品率来使少数成品满足精度要求，但这样做成本极高，而且也无法持续的提高精度，上限依然存在。
到工业革命的前夕，繁盛的纺织业虽然发展了许多新奇的工作机，如珍妮纺纱机等，但这已经基本达到了手工业所能支持的工具精密度的上限，如果再增加机器的规模和复杂程度，势必会受到动力和零件精度、运行成本的限制。1771年发明的水力纺纱机固然先进，但在没有合适河流的地方就无法使用，这种低效率水力机械设置过多还会造成河道淤塞。即便动力问题可以解决，任何试图扩大机械规模或复杂程度的尝试也会因为木制零件（可能会包铁皮）的强度和变形问题导致产品质量下降，唯一的解决办法是靠人力纠正错误，结果并不节约人力。使用高精度的零件固然可以解决问题，但正如前面的讨论，非金属部件磨损快，合格的金属部件加工成本高，都不能真正节约劳动。机械对经济效率进一步的促进有待于部件精度的提高或成本的下降。
早期的金属加工机床正可以满足这种对高精度低成本零件的需求。当然，和早期蒸汽机一样，早期的机床只是手工业的一个延伸，对效率的提高有限。本身成本也很高，影响了推广。但很关键的一点是：金属加工机床本身也是需要精密部件的机械（注意：工业革命的又一个关键点），它的效率、效益与金属部件的精度、成本密切相关，事实上，除了最初的一些工作母机，大部分机床本身就是机床的产品。一旦机床可以用来制造机床，只要金属本身的物理性质允许，金属加工机床自身的发展又是另外一个正反馈循环系统。
经济的增长总是要有正反馈循环现象出现。农民开垦土地，付出劳动和种子，得到收获，作为一个理智而勤劳的农民必须保证收获≥种子+为了维系劳动而吃掉的粮食；手工业者必须保证做出的产品足够他交换衣食和原材料。当他们的收获大于成本时，经济就可以发展。不过正如前面的讨论所指出的，农业时代生物资源与耕地的数量决定了生产上限，以种植业和手工劳动为基础的发展在很久以前就陷入了停滞状态。新大陆或其他可开垦地区的发现可以带来繁荣和发展，但本质上是原有经济在空白地区的复制而不是质量的提高。由于一切生产都离不开人力，而人本身又是经济成果的消费者，所以人均产品无法持续增长，正反馈循环现象将在新土地被充分开发后结束。技术进步也可以带来发展，但正如前面对农业社会技术进步特征的讨论，农业时代的技术进步是随机、孤立的进步，一项技术带来的效率提高可以促进经济增长，但在技术充分扩散后也会立刻停止。
类似的，蒸汽机的和金属加工能力的进步如果只是两个孤立的技术，那么在技术进步接近其应用极限或物理定律所允许的边界后，正反馈循环现象中每一次循环促进带来的进步会逐步趋向于0，因此产生的经济扩张也会停止。比如，当全英国乃至全世界有排水问题的煤矿都用上了蒸汽机，当通过简单机械放大的人力再也无法加工出比机床本身更精密的零件时，经济上限就再次停在一个稍高的状态。两项技术进步出现的前后对比起来，纺织业会节约一些人力，煤炭会便宜一些，但依然无法达到今天最落后的工业地区的经济水平。
幸运的是，本来因成本高昂、移动困难而被限制于煤矿的蒸汽力和局限于人力操作（在木加工领域有一定的水力参与）的机械加工业之间存在一个更高层次的正反馈循环结构：
高精度的金属零件首先是改善了机械传动的效率和精确性，从而使为机械安装控制机构成为可能。这不仅提高了传统产业如纺织业的效率，还在本来就由金属制造的蒸汽机中引入了离心式调速器，节流阀，传动齿轮等传统零件无法组成的辅助机构。这些机构减少了使用蒸汽机所需要的维护人力，更重要的是提高了蒸汽机的热效率。回转机构和传动轴使往复运动的活塞可以支持各种复杂的运动，于是蒸汽机的用途更加广泛。还有最重要的金属镗床，它大大降低了蒸汽机关键部件——汽缸和活塞的加工误差，从而使漏气带来的效率损失、摩擦带来的传动损耗都降了一个数量级。最后，精确加工的部件使蒸汽在多个容器之间的密封传递变为可能，冷凝器得以与汽缸分置，为蒸汽机节约了大量的热量。这些以金属加工技术进步为基础的改进彻底改变了蒸汽机，使它从一种笨重、昂贵、专用化的罕见机械变成具有重大工业价值，可以在各种场合和地点使用的通用动力机，这正是瓦特及其他工程师在工业革命中完成的进步。这些进步固然伟大，但如果仔细研究科学史，我们可以发现这并不是什么非常复杂或有突破性的进展，几个主要改进的基本结构在工业革命以前的各种工艺品或生产机械中已经存在，只是因为成本或材料加工水平的限制才无法应用于蒸汽机和其他承受巨大力量的机械。金属加工技术的进步为这些技术进步提供了适当的土壤。即便瓦特这个人不存在，在1800年前后也会有其他人利用新的金属零件去改造钮可门蒸汽机。
没有动力的机床不会自动运转，无论是切削还是锻压，只要你想得到特定形状的零件就必须对金属作功。不过，金属的硬度和韧性都很高，想靠弱小的人力准确的改变金属材料的外型非常困难。从青铜时代的兵器制造到工业革命前期的手工机床，人类解决这个问题的方式都是通过各种工具来集中人的力量。铁匠用数秒种的时间挥动大锤，然后在几十分之一秒内向铁块释放锤子的动能，才能把铁块的形状改变一点点，这是把在时间上集中力量。扳手手柄要旋转几十厘米，工作面才旋转几厘米，从而使人力可以扭转金属，这是在空间上集中人的力量。不过，我们应该记得能量守恒定律，简单机械可以省力却不能省功，在时间和空间上集中人的力量必然以增加作功的时间和距离为代价。所以，金属加工业最终要受到外界输入动力的限制。只要人力不仅用来调整零件的形状，还要负责提供破坏、重组金属晶体结构所需要的能量，金属零件的加工效率就始终是有限的，无法持续提高。鉴于动力在金属零件制作中的重要性，蒸汽机作为一种强大、稳定的通用动力源显然会给金属加工业带来根本性变化。蒸汽机一出现就有人意识到这种动力将使人类可以制造以前难以成型的金属部件，同时大大降低复杂部件、大型部件的成本，这反过来也会促进蒸汽机的效率和推广。
1830年前后，带有蒸汽动力的机床已经开始批量使用。在这以前20年，瓦特完成了第一代通用蒸汽机的改进，这标志着蒸汽-采煤和金属加工机床这两个正反馈循环系统已经结合为一体，两个工业部门通过交换越来越多的可利用能源和复杂的机械来循环扩大、提升，最终使蒸汽机在大部分行业及地区成为比人畜力更廉价的负熵来源。一旦化石能源的成本降至这一关键点，数量几乎可以无限增加，成本却还在持续降低的蒸汽机械就开始在整个社会中取代简单劳动力；掌握这一技术的社会自然能够节约并创造出更多的资源。简而言之，这意味着工业社会开始压倒传统农牧业社会。
钢铁冶炼技术是工业革命的一个次要关键点。蒸汽机和各种机械作为化石能源的力量（在这个时代限于煤炭、）与各种经济部门的复杂需求之间的媒介，必须用能够被精确加工且耐磨的物质来制造。在农业社会所能提供的各种材料中，唯一能够满足这种要求的物质就是金属，而铁在当时可冶炼的金属中储量最大，分布也最广泛，当仁不让的成为最重要的工业材料。许多历史学家因此称19世纪是煤和铁的时代。当然，铁矿分布广、储量大、易冶炼的特性在农业社会就被人发现了。远在公元前后，旧大陆几个主要文明基本上都进入了铁器时代，农具、武器等关键工具都用钢铁来制造。在从铁器取代铜、锡到工业革命这段漫长的时间里，钢铁没有创造后来那么多的奇迹，主要是因为缺乏加工它所需要的巨大力量和精确加工的工具。等到蒸汽机和机床的进步结合为工业革命，钢铁的潜力才真正被开发出来，蒸汽机的力量和机床的精度也以钢铁为载体得到了大发展。
在工业革命的前期，由于人类社会远没有把钢铁可加工的精度和可承受的力量（包括抗拉、抗扭、抗剪、抗扭等各种强度、刚度）开发到极限，因此，尽管蒸汽机不断的增加马力，机床加工着越来越复杂的部件，依旧按旧方式冶炼的钢铁还足以应付。但是，不管来自农业社会的金属冶炼业有多大潜力，蒸汽机-车床这个以指数方式增长的新经济体早晚会受到其物理特性的限制。事实上，仅仅在瓦特改进蒸汽机之后不到一代人的时间内，生熟铁的硬度和抗疲劳性就不足以应付高速转动部件的要求了，而少数以渗透法冶炼的钢材又过于昂贵，工业革命遇到了第一个发展边界。
与蒸汽机和金属加工机床在偶然的情况下结合为正反馈循环系统不同，钢铁冶炼业的技术突破是一个可预测的结果。一方面发达的蒸汽机制造和机械制造业给钢铁冶炼提供了足够的需求，另一方面相对越来越便宜的煤炭价格、强大的蒸汽动力、金属部件的加工水平为新型冶炼方式提供了足够的技术支持。从1855年到1865年，转炉炼钢法与平炉炼钢法相继实用化，钢铁的质量不断提升，强度足以让发明家们制造更好的机械和蒸汽机，而成本的下降则使这些新发明得以推广应用。很显然，在机械制造业、蒸汽机与钢铁冶炼业之间形成了另外一个正反馈循环体系：钢铁性能的提升与成本下降使机械变的更精密，蒸汽机的效率更高，蒸汽机为选矿厂、高炉鼓风机提供了强大的动力，精密的机械使精确控制炼钢过程，提高钢铁质量成为可能，三者可以互相促进。不过，由于钢铁冶炼业的进步比较靠后，而且是在蒸汽机与机械制造业取得了革命性进展后才被动的进入工业革命，它在工业革命中的地位明显要低一些。
从农业社会历史来看，欧洲，尤其是西欧金属冶炼业一直落后于其他主要文明，尤其落后于远东，中国北宋时华北钢铁产量和质量就不逊于工业革命前的西北欧，18世纪印度依然可以出产比西欧更好的铁锭；而英国的金属冶炼业在欧洲也并不突出，除了满足农业需要外，剩余钢铁产量最多的国家一直是偏僻的瑞典。在工业革命前夕，欧洲人终于学会制造可锻铸铁，学会用焦碳代替木炭炼铁，用炒钢法代替渗透法制钢，但这不过是重复其他农业社会已取得的成就，把农业社会的冶炼水平发展到手工业所允许的上限而已。即便金属的物理特性不允许人类进一步提高其加工精度和强度（这并不影响工业革命以前的历史），蒸汽机与机床的革命性突破依然可以依托于农业社会的钢铁冶炼业改变整个世界，或许幅度会小一些，但肯定也足以当的起“工业革命”的称号。所以我们只把蒸汽机和机床并列为工业革命的基础。后面讨论工业革命的原因时，我们会用到这个结论。
作为19世纪最主要动力源的的蒸汽机和作为机械工业核心的机床成为经济转型的两个关键点并不是偶然的。读者应该还记得这一章的开头给出了经济的定义——采集/利用负熵流。蒸汽机的作用正是把原来只能取暖的煤炭转化为通用动力源，在生物界以外引入了负熵流；以机床为中心的机械工业则给人类提供了统一的工业标准，让负熵得以在各道工序中以较小的损耗流动，让人类能够制造更复杂、含有更多信息、熵更低的产品，从而提高了熵的利用效率。当这两个分别对应于经济基本要素的技术不仅可以自行进步，还结合起来形成互相促进的正反馈循环系统时，不断增长且能与各个行业相配合的负熵流自然会在所有的工业部门内节约人力、增进效率，钢铁业的突破就是一个例子。这样，人类的经济水平在短期内发生爆炸性的突破也就是理所当然的事情了。
家园 非常讨厌“负熵“这个概念，用在社会科学尤其不当。 首先热力学里，一个系统的熵是可以测量，量化并且能用公式推导的系统量。把一个学科里可以客观测量的概念包一层马甲用在另一个学科上描绘另一个完全不一样的东西， 是对两个学科的不尊重。 就好像我用“宇宙光年“来作我的宇宙进化学里的时间单位一样。光年是物理学里的长度单位， 把它当时间单位是种无知的表现。
所以乱用“负熵“是个概念削弱你想揭示的概念背后规律的努力。那好，我们是不是有更好的方式来描述“负熵“规律。 就是我们有两个系统，物理化学元素成分一样， 往两个系统里输入能量。 一个系统里你输入的能量全部变成热辐射出来， 而另一个系统，部分能量却被用来造成物质循环和能量循环，子系统和子子系统之间互相交换物质和能量。 新的子系统不断出现，互相竞争，进化，旧的子系统被淘汰，它的组成物质被吸收进新的子系统里，再进入循环，轮流回转，生生不息。 那么我们应该用什么样的方法来区分这两个系统。 后一个就是“生命“就是我们企图用“负熵“定义的东西。
这两个系统的的熵无疑是不一样的， 但光用热力学里的熵是没有办法区分出这两个系统的不同的。同一个地球，表面温度高点，金星环境，二氧化碳温室效益显著，二氧化硫云层终日遮天，稳定循环。系统熵值大。表面温度低点，火星环境，二氧化碳，水变成固体堆在两极。大气稀薄， 没有气，液循环。 系统熵值小。在这两个稳定极端熵值之间，可以存在生命。但如果熵值确定生命， 那还不如说岁数确定收入一样相关，你只能确定新生儿和死人没有收入。
与其衡量“负熵“不如衡量“经济“，社会科学的基础是经济科学。 最终一个社会推动它内在的物质，能量循环的动力是利益。利益=能量。那对应熵量dq/T的经济量应该是 知识附加值/人均gdp. 就是掌握知识能创造的财富和整个社会平均个人创造的财富的比. 你掌握知识却不能创造财富, 熵量低,个人动力是零, 社会也不会进化. 掌握知识,能创造的财富但社会普遍贫穷, 容易致富,但贫富分化,系统熵量高不稳定. 掌握知识,能创造的财富,社会普遍富裕, 中产社会, 福利好,但人也不思进取.
家园 很强很威武，我觉得“人类更可能掌握新的负熵”说明了智慧的 功能
家园 熵这个东西，如楼主所言，是一个量度 人们创造了这个量度，发现用来解释一些物理现象很是有用，于是熵的概念长胜不衰。
但是任何量度必然有其适用的范围，无限制的运用，必然出现偏颇。
温度其实是一个统计量，既曰统计，必然有偏离的可能。
如果完全按照熵增原理，宇宙将终结于热寂。可这一是没有考虑到尺度，以及尺度之间的变化，所谓“一花一世界，一叶一乾坤”；二是没有注意到统计背后的概率可能，既然连黑洞都能进行霍金辐射，熵这个虚无的东西又为何不能在其不断增加的过程中，不断地出现反向的可能呢。
我的观点：脱离的尺度来看熵，意义有限。
家园 熵确实有反向的可能 洛施米特对波尔茨曼的诘难就是这个道理。这种可能确实是存在的，就像一堆灰烬也可能重新烧热锅炉，而一具尸体也可以从地上爬起来再活一次一样。但这种可能性太低对人类没有实际意义。这个可能性等于是说人类什么都不做，石油也会自动增加，污染也会自动消除——只要等上10亿年。显然它对解决目前的问题帮助不大。
至于热寂说，它不是“完全按照熵增原理”的结果。恰恰相反，它是不完全按照熵增原理的结果。热寂说假设全宇宙的熵有一个极大值，增加到那个值一切物质就都达到平衡态了。事实上我们的宇宙不存在那个平衡态，因此熵没有极大值，它会没有止境的增加下去。
熵增加原理的意义在于它决定了第二类永动机不能制造成功，如果人类能够利用偏离熵增加原理的可能性（某处发生熵的逆转而不以周围环境的总熵的增加为代价），那也就意味着人类能制造成功永动机了。那样，现有的文化与制度其实也没有讨论的必要了，都有永动机了，一切稀缺性都不存在了，还在乎什么？那就真是共产主义了。