没有任何一门学科能够单独应对21世纪全球挑战的巨大复杂性，当今涉及的问题从生态到经济，从环境到更广泛的领域。而热力学作为一门自然科学的语言，给越来越多社会科学领域的研究带来曙光。在此，集智编辑部给大家带来英国皇家学会期刊Philosophical Transactions of the Royal Society A的热力学2.0特刊介绍，聚焦热力学如何建立起自然科学与社会科学之间的桥梁，后续我们也会对特刊文章开展深入解读。


特刊地址：https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2023/381/2252





前言：特刊起源




来源：https://royalsocietypublishing.org/doi/epdf/10.1098/rsta.2022.0274

2022年7月18日至22日，阿巴拉契亚州立大学（Appalachian State University）在北卡罗来纳州的布恩举办了“热力学2.0 | 2022年会议”，会议邀请了来自物理、自然科学、社会科学以及人文领域的全球思想与实践领袖，共同参与跨学科知识的生产与探索。会议有意使用了“跨学科”（transdisciplinary）而非“多学科”（interdisciplinary）这一术语，多学科意味着不同学科的连接与结合，而跨学科则意味着学科的真正融合与交汇，从而涌现出全新的认知方式。

没有任何一门学科能够单独应对21世纪全球挑战的巨大复杂性。当代问题从生态到经济，从环境到更广泛的领域。此次会议不仅是孕育跨学科合作的温床，也是思想火花碰撞的舞台，它象征着自然科学与社会科学领域科学革命的未来。同时，它也展现了学术界与应用领域成功应对全球挑战及可持续性危机的未来方向。会议鼓励勇于探讨普遍性问题，尤其是以打破常规的方式去探索，这过程需要非凡的勇气，而这也正是本刊物中读者将全面领略到的精神。

会议上分享的信息广度，正如本期特刊所收录的内容，涵盖了量子系统与基础、稳定演化、热力学等诸多被深入探讨和研究的主题，聚焦于那些致力于通过跨学科方法应对21世纪人类面临的关键问题和挑战的工作。通过自然科学与物理科学的可靠性，及其与社会科学和行为科学的活力之间的联系，共同解码复杂这一话题，这一变革性的特刊对于理解世界和我们彼此之间的连接至关重要。

相信读者会发现特刊内容既富有启发性又引人深思，首先是思考模式的变化，从“为何是……？”到开始疑惑“为何不是……？”。一旦共同构想出一个理想状态，并开始提问“为何不是……？”，我们就成功开启了改变世界的旅程。本期特刊将展示，在一个重视合作而非竞争的环境中，我们如何共同努力实现这一目标。毫无疑问，这一里程碑式的资源集合将激励众多跨学科学者，并给学术界带来持续而深远的影响。





文章一览




来源：https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2023/381/2252

热力学2.0的主题：桥接自然科学与社会科学，包括使用能量、熵和信息这三种语言及其在社会科学中的形式，例如权力、网络的文章，旨在建立一个更加统一的人类知识体系。本特刊的一个目标是阐明热力学的应用范围和影响，试图涵盖一系列多样化的观点和理论。读者可能会惊讶地看到，使用热力学的框架可以提出并回答很多复杂的问题。

以Arto Annila的文章[2]开篇，他在其中阐明了热力学的普遍性质。Arto推测光量子作为一切的基本构建块，并提出哲学论点解释“为什么热力学在自然科学和社会科学学科中都说得通”。接下来是两篇试图阐明科学统一性的文章：Ram Poudel[3]提出的统一理论，将牛顿第三运动定律推广到连接生命与非生命，涵盖了与生命相关的规则和原理。这一理论及其基础的运动和变化方程与物理科学直接对应。另一个工作中Rod Swenson[4]以最大熵产生定律为基础，解决了物理、生命和心灵的不可通约性（incommensurability），作为他的大统一理论的基础。这一理论试图将“向下流动”到无序的物理与“向上流动”到更有序状态的生命和心灵统一起来。

Dilip Kondepudi等人[5]和Terrence Deacon等人[6]研究了生物和生命的热力学。两个人的论点都建立在Ilya Prigogine首次引入的耗散结构上。生物是耗散系统，但机器不是；生物会表现出意向性或目标导向行为，探索生物这一重要特征的物理基础是热力学。Terry用共依赖结构（codependent structure）解释了生物中的目的论因果关系（teleological causality），两个或多个通过共享基质连接的自组织过程可以向自我维持的目标状态发展。然而，这种目的论因果关系的自然模型适用于远离平衡的自组织耗散动力学。

Peter Van[7]认为热力学是一种稳定性理论，观点是热力学是广义动力学理论的一部分和结果。这也解释了为什么热力学的物理概念很普遍，可以在社会科学和自然科学中任何系统建立动力学理论。

然后，我们进入连接自然科学与社会科学的量子物理学领域。Vikram Athalye和Emmanuel Haven[8]使用因果关系的概念和系综的想法，构建社会现实的类似量子物理学模型，例如他们用两个马尔可夫过程建模了社会情境，以支持其想法的可行性。Cal R. Abel[9]提供了关于使用量子形式主义的效用和价值的新视角，冯·诺依曼熵和冯·诺依曼-摩根斯坦效用（von Neumann–Morgenstern utility）被认为是等价的，其中哈密顿算子表示价值。Andrei Khrennikov[10]用infon的概念扩展了社会激光理论（social laser theory）——携带粗粒度信息内容的社会能量量子。这一理论将人类视为原子的类似物，即吸收和发射infons的社会原子，还可与决策模型相关联。

Umit Gunes[11]使用Scopus数据库中的出版物，研究了社会科学与能源研究之间的相互作用。他们发现，关于可持续性、气候变化、创新、城市发展和替代能源的刊物在可持续性这点上，比其他更技术性主题的期刊更突出。Adrian Bejan[12]尝试使用他的建构定律（Constructal Law），解决热力学2.0的开放问题[13]。Adrian的文章支持建构定律作为所有生物、地球物理、社会和技术进化的普遍原则。

物理学和热力学之间存在关系，如一些统计方法[1,14]所揭示的。这种关系不是互惠的，因为学者们对这种关系的评价不对称。工程师比物理学家更看中热力学，工程师的这种价值判断有其传承和逻辑。热力学是在我们发现蒸汽机之后诞生的，因为人们觉得有必要解释他们的新机器是如何工作的。

我们希望这两部分的热力学2.0主题特刊能够为科学、能源、经济学和进化的统一做出贡献。很显然，21世纪的工程师越来越多地研究发动机之外的东西，我们也应该花更多时间理解和解释人类和人类社会是如何运作的。热力学2.0致力于更好地理解生命、人类和人类社会，以及它们与物质世界的相互联系。



参考文献

  1. XiuSan X. 2010 On the fundamental equation of nonequilibrium statistical physics—nonequilibrium entropy evolution equation and the formula for entropy production rate. Sci. China Phys. Mech. Astron. 53, 2194-2215.
  2. Annila A. 2023 Philosophy of thermodynamics. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220281.
  3. Poudel RC. 2023 A unified science of matter, life and evolution. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220291.
  4. Swenson R. 2023 A grand unified theory for the unification of physics, life, information and cognition (mind). Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220277.
  5. De Bari B, Dixon J, Kondepudi D, Vaidya A. 2023 Thermodynamics, organisms and behaviour. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220278.
  6. Deacon TW, García-Valdecasas M. 2023 A thermodynamic basis for teleological causality. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220282.
  7. Ván P. 2023 Toward a universal theory of stable evolution. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220276.
  8. Athalye V, Haven E. 2023 Causal viewpoint and ensemble interpretation: from physics to the social sciences. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220279.
  9. Abel CR. 2023 The quantum foundations of utility and value. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220286.
  10. Khrennikov A. 2023 Coherent decision making stimulated within the social laser: open quantum systems framework. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220294.
  11. Gunes U. 2023 Social sciences and energy research interactions. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220283.
  12. Bejan A. 2023 The principle underlying all evolution, biological, geophysical, social and technological. Phil. Trans. R. Soc. A 381, 20220288.
  13. International Association for the Integration of Science and Engineering (IAISAE). 2019 Open Questions: Thermodynamics 2.0, Broomfield, CO: IAISAE.
  14. Tien CL, Lienhard JH. 1979 Statistical thermodynamics. London, UK: Taylor & Francis.


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为了深入探索统计物理前沿进展，集智俱乐部联合西湖大学理学院及交叉科学中心讲席教授汤雷翰、纽约州立大学石溪分校化学和物理学系教授汪劲、德累斯顿系统生物学中心博士后研究员梁师翎、香港浸会大学物理系助理教授唐乾元，以及多位国内外知名学者共同发起「非平衡统计物理」读书会。读书会旨在探讨统计物理学的最新理论突破，统计物理在复杂系统和生命科学中的应用，以及与机器学习等前沿领域的交叉研究。读书会从12月12日开始，每周四晚20:00-22:00进行，持续时间预计12周。我们诚挚邀请各位朋友参与讨论交流，一起探索爱因斯坦眼中的普适理论！


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详情请见：从热力学、生命到人工智能的统计物理之路：非平衡统计物理读书会启动！



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