工业文明的痼疾——垃圾问题的热力学阐释及其推论

提要：垃圾问题以往被认为是枝节问题、技术问题、管理问题，一直没有得到足够的重视。本文从热力学出发对垃圾问题进行分析。一个人，一个社区，一个城市，都可以看作是类似热机的物理系统。这种有序的具有某种功能的物理系统持续运行的前提是，从外界输入低熵状态的能量和物质，并向外界输出高熵状态的能量和物质。后者就是这个物理系统的垃圾。根据热力学第二定律，垃圾是系统必然的产物。因而在工业文明的社会结构下，在地球有限的约束下，技术进步不能解决垃圾问题，反而会使垃圾问题更加严重。垃圾问题将会超过能源问题，成为未来人类社会最严重的问题。人类解决垃圾问题的唯一出路在于，走出工业文明，寻找一个新的文明模式——生态文明。
关键词：垃圾，热力学第二定律，工业文明，生态文明
在主流意识形态和大众话语中，垃圾问题一向被视为是枝节问题、技术问题、管理问题。如果某个地方出现了垃圾问题，人们首先会觉得是管理者失职。有一个比较普遍的乐观的说法，叫做“垃圾是放错了地方的资源”。即相信垃圾问题是工业社会的副产品，可以随着技术的进步得到解决，乃至于变废为宝。
2009年可以算作中国的垃圾年。在这一年里，中国的垃圾问题全面爆发，垃圾围城、垃圾处理场超负荷运转、垃圾填埋场提前退役、垃圾填埋场的空气和地下水污染、垃圾焚烧场选址纠纷等各种与垃圾相关的事件在全国范围内此起彼伏。单是围绕垃圾焚烧厂，就有北京六里屯和阿苏卫、上海江桥、南京天井洼、广州番禺和李坑的群众性事件。如果把与液态垃圾和气态垃圾相关的事件考虑进来，则事态更加严重。
本文将从以热力学为基础，讨论人类社会与垃圾的关系；讨论工业文明的社会结构下，垃圾问题的必然性。
一、垃圾的界定
中文“垃圾”一词最迟到宋代已经成为日常话语，其含义和用法与今无二。《新华字典》“垃圾”词条的释义为：“废弃无用或肮脏破烂之物”。其中，“废弃”是关键。废弃不等于无用，无用也不一定被废弃。“废弃”这个词里，隐含着人的主观色彩。“废弃的”就是“不想要的”。“垃圾”这个词的特殊性在于，它不具体指向任何东西，但是任何东西都可能成为垃圾。一个土豆，放在菜板上，不是垃圾；扔到厨房的垃圾桶里，马上就变成了垃圾；一个无用的手机，一直在抽屉里放着，不是垃圾；扔到客厅的垃圾桶里，马上就变成了垃圾。因此，可以对垃圾做一个非常简单的操作定义：所谓垃圾，就是被扔到垃圾桶的东西，被排除到系统之外的东西3。
当然，“废弃”与“无用”又存在关联。就我们将要讨论的物理系统而言，被废弃的，是不能或者难以被这个系统所利用的。“废弃”，是指被我们界定的系统所废弃。在自然界中，一种系统废弃的物质（如粪便），可能会被另一个系统所需要。对于我们所讨论的问题而言，“垃圾”是被人类社会所“废弃”的东西。
二、热机与热力学第二定律
热力学是第一个直接从对技术的研究中产生的自然科学分支。它最初的研究对象是蒸汽机（热机）。蒸汽机是工业革命的首要动力，但蒸汽机的效率非常之低，只有百分之几。提高蒸汽机的效率是当时工程师所关注的重要课题。1824年，法国工程师卡诺（Sadi Carnot,1796―1832年）以热质说为基础，通过对热机效率的研究，给出了后来热力学的几乎全部基本定律。
热力学虽然从研究热机出发，结论却是普适性的。无论什么样的物质系统，都要遵从热力学的基本规律。爱因斯坦对热力学钦佩有加，他说：“一个理论，如果它的前提越简单，而且能说明的各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论，我深信，在其基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的。”
热力学有两个重要的基本定律，第一个定律是人所熟知的能量守恒定律，这个定律虽然不是完全从热力学中产生出来的，但被归到热力学名下。在爱因斯坦的狭义相对论（1905年）诞生之后，由于著名的质能转换关系E=mc2，这个定律在理论上与另一个古老的化学定律——物质不灭定律就合并成了一个，可以叫做物质与能量转化与守恒定律。物质不灭，能量守恒。这个定律说，物质和能量既不能凭空创生，也不能凭空消失，只能从一种形态转化成另一种形态，并在转化的过程中，保持总量不变。这个定律无需过多阐释。