如果说牛顿的经典力学和麦克斯韦的电磁场理论分别表述了物质存在的两种极端形式，即质点和场，那么，热力学所描述的物质对象则是一种较为复杂的复合体；大数粒子构造的物质集合。虽然，在人类认识的历史过程中，经典热力学和电磁场理论的构造，基本上是在同一个时代得以完成的。也正因为这种认识的历史痕迹，人们至今没有形成一种真正理性的意识，如何完全根据被描述的物质对象对理论物理进行一种更为严格和合理的分类。在这个意义。上，热力学中存在的问题与自然科学体系其他领域中存在的问题又是密切相关的。

热力学理性重建的历史背景

图为焦耳

1845年，英国的实验科学家焦耳完成了热功当量的较为准确的测量。其后，随着凯尔文和克劳修斯在奠定热力学基础方面的逐步进展，人们广泛地确信了这样一种重要的经验事实：尽管物质的存在形式和运动形式不同，但是，当不同物质之间存在相互作用从而能量的形式相应发生相互转换的时候，不同物质的能量总量保持不变。

这个经验陈述就是能量转换和守恒定律的实验。随后，克劳修斯意识到另外两个重要事实，即“热功转换”和“热量传递”的方向性特征之间可能存在某种一致性，并且，希望通过一种数学形式表现这样两种不同转换之间的“等价性量（Equivalent）”的时候，一个以“可逆过程”的认定作为基本前提的“熵”的热力学量，以及整个经典热力学的形式系统便出现了。虽然，直到1865年，克劳修斯才首次给出熵函数的热力学意义，并且，提出了那个著名的“热寂”学说。

必须承认，限于那个时代的人们对于物质世界的认识远未达致深刻的程度，将构建整个经典热力学理论的两个最基本的经验事实，即人们熟知的热力学第一定律和第二定律加以“形式化”并不是一件容易的事情。如果从克劳修斯于1850年最先提出这个命题开始，继而于1854年形式地引入“熵”函数，到最终给予这个热力学量一个相关的解释为止，前后共计经历了16个年头。正因为对于被描述对象自身缺乏较为准确的认识，所以当“理性主义（Rationalism）”的现代信仰者十分尖锐地指出，经典热力学中包容了太多的神秘性，或者数学推导中的不严格和物理理念中的紊乱，进而提出“热力学理性重建"这样一个重大命题的时候，任何具有独立思考能力的研究者绝对不会感觉到丝毫惊讶。

但是，一个严肃的问题在于：虽然“理性主义者”指出经典热力学存在一系列逻辑不严格和神秘化问题，但是，人们并不知道这些问题到底出自于何处，如何加以纠正。相反，因为他们并没有真正理性地意识到，一个仅仅依赖于人们的思维理念，而不是逻辑地依赖于对于某种“特定”物质对象所作理想化假设而得以构造的“熵函数”正是一切神秘化的根源，所以他们所作的“热力学理性重建”只是将人们引入了另一个更为神秘、同样仅仅依赖于人们的思维理念而得以存在，所谓的热力学“流形（Manifold）"之中。当然，这也是一批“理性主义者”花费了大量精力，几乎延续了半个世纪之久的“热力学理性重建”工作至今无法得以完成的根本原因。

在20世纪的热力学研究中，另一个重大的事件似乎应该归于普里高津所提出的“耗散结构”理论，构建者曾经声言，该理论体系几乎可以无所限制地应用于自然科学乃至社会科学在内的一切场合。但是，如果仅仅从哲学理念考虑，人们同样可以相信：恰恰由于没有“论域”的限制，该理论体系必然隐含着形形色色的逻辑不自洽问题。不知是否因为此，尽管该“理论体系”曾经荣获了诺贝尔奖，但是，一些严肃的物理学著述并没有对这个所谓的理论体系给予任何认真的理会。事实上，人们不难做出严格的证明，由于没有认识和分析经典热力学体系一系列基元概念自身存在的问题，即使在普里高津的许多初期研究中，也存在许多逻辑不当的问题。

科学发展史一再表明这样一种真实：“历史总是在否定创造它的人们中前进的”。因此，人们无法回避对于经典热力学中一系列前提性认识中逻辑不当的揭示，当然，也仅仅于此，才可能真正完成“热力学理性重建”这样一个重大的历史性命题。

理论体系的有限表现能力与形式完备性的辩证统一

在现代自然科学体系中，任何一个形式表述系统必须依赖于针对某种“特定物质对象”的“理想化假设”而得以存在。显然，简单承认这样一个一般性的事实，对于任何一个生活在这个时代的科学研究者并不困难。但是，如果纵观现代自然科学体系的发展历程，人们不难发现这样一种普遍真实：对于某些被描述的物质对象做出一种恰当的理想化认定，进而对相关的形式表述体系构造一个同样恰当的“有限论域"并不容易。事实上，对于理想化物质对象的这种形式认定，几乎总滞后于对于与该物质对象相关的若干事实的直观认识。而且，人们仍然可以相信：在探求未知的物质世界过程中，这样一种存在于“本和末”之间的认识差异或许会永远存在着。

正因为这样一种认识差异的自然存在，以及人们似乎还没有对这种认识差异对于构造自然科学体系必然产生的影响形成一种深刻的认识，人们同样可以发现：在目前的自然科学体系中，对于逻辑前提、存在条件和有限论域等前提性问题的研究是相当不充分的。

事实上，当人们面对一个“无边无际，相互处于作用之中，并且本质上不可分割”的物质世界，任何一个形式表述体系仅仅具有有限的表现能力以及有限的真实性。但是，作为一个纯粹的形式系统，任何理论体系以及该体系中的所有物理量必须具备确定的形式意义。形式系统和形式量自身具备的确定性，与形式系统与其表现的物理真实之间必然存在的差异是两个完全不同的概念，风马牛不相及。

然而，恰恰对于这个似乎过分简单事实的忽视，使得经典热力学的形式化构造中出现了前提性的错误，从而使得一个本来相当简单的理论体系反而变得过分复杂和神秘起来了。经典热力学隶属于“静态分析”的范畴，无论是克劳修斯引入的“可逆过程”还是“不可逆过程”，本质上都不属于经典热力学研究的有限论域。因此，人们无须也不能借助于形式系统以外的某种物理真实定义形式系统中的物理量。

换一句话说，对于这个特定的形式系统所可能描述的物理现象，熵函数必须被赋予确定的形式意义。因此，在一个能够被热力学理论体系描述的“热力学态”的“邻域”中，热力学系统的“熵变化”能够也必须通过该热力学系统的吸热量与其温度的“商”加以表述：

dSdef=δQ/T

其实，这个确定性的陈述与经典热力学中另一个形式表述，即热力学系统的体系可以借助于该系统的做功量与其压力的“商”加以表述：

dVdef=δW/P

没有任何本质性的差异，只不过对于那个时代的人们，压力、体系与功量都十分直观，而温度、热量与熵函数显得比较抽象罢了。并且，人们仍然可以确信，这样两种对应形式表述与物理真实存在同样的差异，并且，这种差异与形式量必须具有确定的形式意义属于两个完全不同的理念，不可混为一谈。

当然，人们还可以做出严格的证明，那个曾经被人们认为具有普适意义的“热力学第二定律”同样仅仅是一种条件性陈述，它必须以两个彼此之间存在“宏观差异”的热力学系统作为该定律的逻辑前提，否则，它无法成为一个具有“独立意义”的物理学陈述。

热力学平衡态以及时间坐标和热力学的重新分类

在引入“场”描述这样一种特定的数学形式，能够对物质对象在几何空间中呈现的分布做出形式表述以前，人们只能对物质对象做出一种“均匀化”的假设，或者说，构造一个几何上的“0维”的数学模型。正因为此，在经典热力学中，借助于一组相同的热力学量所描述的物质对象在几何上必须是均匀的。通常，人们把一个能够通过一组热力学量所描述的热力学体系称之为一个均匀化的宏观物质系统，相应的认定则称之为“平衡态”假设。

显然，对于几乎任意一个与外界发生热力学作用的热力学系统，它们在几何上总是不均匀的。因此，随着人们希望对于宏观物质对象的行为做出更为符合物理真实的描述，能够对空间真实存在的不均匀现象做出描述的“场”方法，被自然地引人到热力学体系之中。但是，受限于“相关表现能力”发展历程中的一种历史真实，并不总能作为划分某个理论体系的一种准则。因此，正是在这样一个前提性的概念上，当现代热力学体系被人们划分为“平衡态热力学”和“非平衡态热力学”，乃至一种纯粹主观理念意义上，没有任何确定形式意义的“近非平衡态热力学”和“远非平衡态热力学”的时候，人们的认识相应出现了不应有的逻辑紊乱，从而使得整个形式系统出现了空前的紊乱。

人们不难发现，在许多著名的“现代非平衡态热力学”著述中，恰恰对于“平衡态”这样一个前提性概念，缺乏前后贯一的基本认定。事实上，某些著述尽量回避对于“平衡态"做出具有实质性意义的定义，而另一些著述则不能不给出彼此矛盾的形式定义。

因此，只要不考虑数学表述能力上的限制，人们可以确信：如果某一个确定的“宏观物质系统”能够被认为在时间域中保持一种“大致不变”的状态，那么，无论这个特定的物质对象在几何上是否保持均匀，它们的热力学基本特征必然保持一致。恰恰因为此，正如现代宏观力学所显示的那样，对于一个“平衡态假设”下的“有限大”宏观物质系统与“局部平衡态假设”下得以存在的“物质元”，两者在热力学意义上几乎没有任何差异。相反，如果一个宏观物质系统处于“运动和变化”之中，那么，无论这种“变化”在时间域中是否保持一种“恒定”的状态，人们总可以断言，这个时刻处于变化之中的宏观物质对象，必然与以上所说“时间城中不变，而几何上并不均匀一致”的宏观物质集合必然存在某种本质性的差异，呈现另一种仅仅属于“动力学”分析范畴的基本特征。

在自然科学中，不同学科呈现的不同形式特征本质地决定于被描述物质对象自身存在的差异，人们没有理由为不同学科构造不同的基本准则。因此，无论被描述物质对象之间存在怎样的形式差异，人们总可以根据是否引入独立的时间坐标对于同一个形式系统做出一种分割：静力学分析和动力学分析。相应于此，整个热力学体系只能被自然地划分“静热力学”和“动热力学”两个不同的分支，并且，人们需要揭示两种不同研究对象呈现代基本物理学特征。对于任何一种宏观物质对象，任何时间域中的变化必然对应于几何城中的差异。因此，经典热力学中的时间坐标本质上不具独立意义。其实，也正因为此，人们才可以在经典热力学中随意延长时间坐标，引人“准静态过程”的概念。

热静力学中的最大熵原理与热动力学中最小熵增率原理的辩证统一

如果不考虑克劳修斯最初引入熵函数的具体方式，而仅仅根据宏观物质作为大数粒子集合的基本前提出发，人们可以自然地接受这样一个一般性的认识：如果热力学系统的温度仅仅发生“微变化"，而系统从环境接受的热量能够形式地表示为：

δQ=1/2（T+T+dT）dA≈TdA

则，式中引入的物理量A自然等价于经典热力学中的熵函数，即存在熵的形式定义：

S=A=δQ/T

并且，如果需要考虑宏观物质集合的温度T表示系统粒子“无规运动”平均能量的一种大概度量，那么，熵的物理意义同样是明确的：熵与这种平均动能相对应的“特征粒子”构成一种对应。于是，在保持温度不变的前提下，系统从外界吸收的热量必然等于熵的增加，即相当于系统中“特征粒子数”的增加。

显然，如果某一个宏观状态保持不变的宏观物质系统处于“绝热”条件之下，人们可以断言：宏观物质系统的熵取最大值的状态，必然对应于该宏观物质系统的真实存在状态，以满足宏观物质集合中粒子的自均匀化倾向；相反，对于某一个运动中的宏观物质集合，如果仍然可能处于“绝热”条件之下，考虑到粒子无规运动引起的自均匀化倾向意味着一种“耗散"，那么，可以断言：运动中宏观物质与“最小熵增率（不是普里高津所说的‘最小熵产率’）”相对应状态，必然成为宏观物质运动的一种“最可几”状态，以满足物质世界普遍适用的“最小作用原理"。

结束语

当对于被描述的物质对象自身尚缺乏一种深刻认识，同时却希望对于相关的经验事实给予某种确定的形式化表述的时候，人们可以相信，这种形式化的构造几乎不可避免地存在某种猜测的成分。但是，一旦能够对于被描述的物质对象真正形成一种本质性的认识，人们往往需要将那个限于历史原因而存在的形式系统加以重新调整或者修正。仅仅于此，人们才可能真正理解这样一个基本事实：真正科学的，必然是自然的，容易为人们所接受。

（参考文献略）