第三类永动机

【专家解说】：　　根据这两个热力学定律，永动机也被分成两类。违背热一律的东东１被称为第一类永动机，违背热二律的东东２被称为第二类永动机。这两类永动机在科学共同体内部已经达成共识——造不出来。不过，人们心中普遍还有一个永动机之梦，我称之为第三类永动机——“东东３”。 　　让我们先回到永动机的字面意义。简单地说，永动机就是永远运动的机器。那么，一个不需要外界能量和物质输入而实现物质和能量自循环的装置，就是一个永动机喽！比如一个理想单摆，在无摩擦的理想条件下，就是一个永动机！它的势能和动能不停地转化，没有任何耗散，在系统内部实现能量的自循环，并且循环往复，以至无穷。当然，在现实世界中，理想单摆的理想条件是无法满足的，因为总是有摩擦存在，所以在势能和动能的转化过程中，热耗散不可避免。所以我们会看到，无论摆轴多么圆滑，摆的振幅都会越来越小，直至停止。 　　然而，如果我们从外界输入能量，补充耗散掉的能量，比如给这个单摆装一个太阳能发条，这个单摆是否可以永远运动下去呢？ 　　按照现在的科学结论，我们这个地球已经存在了４６亿年了。相信每个人小时候都问过：雨是哪儿来的，河水是哪儿来的？通过小学自然课程，我们也会建立起各种物质循环的概念。海水蒸发为云，被各种季风带到全球各地，下降为雨雪，成为河流——这是水的循环。人和动物吸入氧气，呼出二氧化碳，植物利用太阳能将二氧化碳中的碳固定下来，放出氧气——这是氧气和二氧化碳的循环。在我们这个地球上，有许许多多这样的循环。人们普遍相信，只要有太阳在天上照耀，这样的循环就可以永远进行下去。 　　１９９０年代，美国人在亚利桑那州的沙漠里进行了一项实验，实验装置是一个硕大的温室，占地一公顷，在里面预先设置了河流、树林、草地、动物、人……总之，一切都是尽力模仿地球的生物圈而设计的，所以该温室被命名为生物圈２号——至于１号嘛，他们用来命名地球本身了。实验的设计者希望生物圈２号中的空气、水，动物、植物和人能够在阳光的作用下实现物质的自循环。 　　这样一种循环的理念我们常常能够遇到。比如人们设想在航天飞机上放置一些植物，便可以在一定程度上实现氧和二氧化碳的自循环。又据说航天员的尿不能扔——好像也没有地方扔，经过处理后还要进入航天员的饮用水系统，这是水在一定程度上的自循环。 　　我们现在的所谓现代化的生存方式，也或强或弱地建立在这种自循环的理念之上。如前所述，现代文明就如一个马达，输入低熵状态的能量和物质，输出高熵状态的垃圾——广义的理解，包括固态的、液态的、气态的垃圾和纯粹的耗散热。文明越发达，马达的功率越高，制造垃圾的速度越快。我们身边的一切物品诸如手机、手表、电脑、电视、洗发液、洗涤灵、卫生巾、卫生纸等等等等，归根结底都是来自低熵状态的矿藏、原油、森林和天然水体……而考察其最终的去向，必然是高熵状态的垃圾！所以，每一个大城市的周围都有必然存在着若干巨大的垃圾填埋场。我们所谓的现代文明，就建在垃圾堆的旁边。 　　对于这个推理，一种常见的质疑是：你没有考虑垃圾的处理。比如有些人就强调，垃圾是放错了地方的能源和资源。言外之意，将来会发明出某种新的技术，可以把这些垃圾逐一回收，提取出有用的物质，循环利用。在这样一种物质自循环的理念下，文明马达的速度就取决于人类所能开发出来的能源，能源越多，这个自循环系统运转得越快，人类就能享受越多的物质。 　　这正是第三类永动机的美丽梦想！一旦这个未来的技术被开发出来，地球就变成一个东东３。 　　让我们回到生物圈２号。像生物圈２号这样的系统，可以称为半孤立系，它与外界没有物质交换，但是有能量交换，人们希望外界输入的能量能够维系其内部物质的自循环。这正是东东３的一个样本。东东３违反的同样是热二律，只不过比较隐秘，我们需要对热二律进行仔细分析才能发现。 　　热二律不仅规定了能量转化的方向，也规定了物质转化的方向。按照里夫金的说法：物质总是从可用的变成的不可用的。如果说东东２与热二律的能量转化方向相矛盾，东东３就与热二律的物质转化方向相矛盾。且让我们从物质的角度，重新考虑热二律。这是个被物理学教科书忽视的一个角度，我就不记得当年的热力学习题中有这样的题目。从物质的角度定义熵，也可以从其微观量子态的数目入手，这里不做物理上的具体阐释，只做一些说明。简单地说，物质从聚集态变成离散态，是一个熵增的过程。比如把一大块单晶硅切割成若干小片，虽然物质总量不变，但是熵增加了——即使我们假定对单晶硅的切割不需要能量，也会导致熵增——这部分熵增与所涉及的能量无关，可称之为物质熵。反过来，从前考虑的熵可称为能量熵。当我们把这一片片单晶硅分散到一个个电器之中，使得硅片与其他物质进一步混合在一起，会导致熵的进一步