热力学第二定律与“最可几”的地位需要调整（1）

张学文，2010-8-16

1.         大约160年前发现了热力学第二定律。它的一种通俗提法是唯一的后果是热量从低温传向高温的过程是不存在的，它的一种神秘提法是孤立系统的热力学熵只能自发增加或者不变，而不能减少（熵增加原理，最大熵原理）。这种神秘提法的再外推到宇宙，就是：宇宙要走向死亡，这是说宇宙的各个星体的温度都相同，再没有太阳給地球提供热量，整个宇宙就冻得僵死了。

2.         在物理学中热力学第二定律被认为是不依赖其它定律推导而演绎出来，而是仅由实验认定的基本规律。所以它在科学里具有不可代替的地位。而由于热力学第二定律联系着热寂的推论，很多哲学、物理、政治家把它看成“坏”（但是又不能背离）的原理。而围绕着神秘的熵和熵原理，我们说不清楚总共说了多少咒骂的话、错误的话、神秘的话…

3.         在提出这个定律的年代，原子、分子概念仅是初步在理论上试用着，谁也没有拿出原子存在的物理真实证据。在这个时代背景下，波尔兹曼提出了一种理论，他认为熵是分子运动的运动状态的自发多样性的度量。在热力学第二定律也可以表示为熵S只能自发增加的背景下，波尔兹曼公式S=klogW,把熵S与多个分子运动的可能方式的最大值W联系了起来。这为理解熵提供了重要的物理模型，这个模型联系着承认分子的存在和分子存在随机的热运动。把热现象向运动学靠拢显然从现象向原因靠拢。这是一个重大进步。

4.         在这种理解下，所谓热量仅能自发第向低温传递，就成为一个概率性的真理:这种现象的出现被遇到的概率高得几乎与必然事件相同，而热量从低温传给高温的事件不是不能发生，而仅是发生的概率小到你活上1亿年也遇不上一次。所以，你不要指望热力学第二定律有一天失灵。

5.         20世纪初原子、分子概念才逐步为科学家主流接受。于是人们关于热力学第二定律的认识，又获得波尔兹曼提供的这种动力学解释。大家对它自然更为信服。热力学也获得了新的进步。

6.         20世纪热力学就是在这种分子运动的概率统计解释的配合下一路凯歌地前进，熵为什么自动最大化？这是因为熵最大对应的事件（状态、分布、过程）是高概率的事件（状态、分布、过程）。对热力学现象，你即便观测1亿次，也不会有一次意外偏离。教科书上就经常把高概率事件容易出现简称为“最可几”（最大的可能性）。

7.         现在，2010-8-15，问：大量分子运动加上“最可几”既然可以说明热力学第二定律，那么这个说明里是否包含了什么原理，它比热力学第二定律更基础？

8.         我认为现在需要明确在上述说明中隐含的原理，让热力学第二定律仅是新原理的推论。这应当是物理学知识的一次重要整理。

9.         我所谓的新原理就是为大家早就默认的道理，穿一件新衣服。我是说，把“最可几”的事最容易出现，设法抬举为公理，我们的全部思路就都畅通了。

10.     我建议把“最可几”，或者说得周全一些，把“高概率的事件在每一次（不是每2次，2万次…中有一次）实践（抽样、观测）中最容易遇到”称为公理，例如称为“概率公理”、物理学第0定律。于是一切依赖所谓“最可几”推出的结论都是这个公理的推论。这样我们就把热力学第二定律向最终真理推荐一步。

11.     有人说，你说的公理几乎是不言自明的废话，而且你定义时是否犯了循环逻辑错误？

12.     我的回答是，我就是要把大家“注意不到”、“司空见惯”、“习以为常”、“熟视无睹”的不值一提（注意它的应用例子太多使用大家习以为常！）的浅显道理提炼出来，給它个正式的名称—物理学的新公理。这样做的附带好处后面还要讨论。

13.     我是否犯了循环逻辑的错误？只要大家认可过去对“概率”的定义中不使用“容易”二字，我就没有犯循环逻辑的错误。话说穿了这不是发现了个大家根本不熟悉的新原理，仅是把大家司空见惯的，被忽视的一个常识，整理、抬举为公理，就好像为垃圾堆里拣来的一个孩子取了个名字。

14.     这样我们把过去用最可几三个字去论证熵原理的工作，打扮一下，改换一些用词，就成为用概率公理去证明热力学第二定律的工作了。于是新的物理学公理登场，热力学第二定律退居为概率公理的推论。2003年我在《组成论》一书中就谈到这个基本思路，不过当时没有使用“最可几”这三个字。

15.     既然如此，我们就可以把与热力学第二定律有关的理论结构做必要的调整：把“最可几”打扮成为一个公理，如称为概率公理，并且作为物理学的基础规律，而热力学第二定律是它的推论。这使热力学第二定律又向最终真理迈进一步，可它昔日被独尊的地位就没有了。

16.     把最可几抬举为公理还有哪些好处和必要？这样调整以后如何看到熵和熵原理？--这些问题后面再讨论吧，现在休息，休息一会。

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