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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。
相对而言，热力学第二定律不大容易理解。
为了研究热机的效率问题，卡诺设想了一种理想的热机（后人称其为卡诺机），它以理想气体为工作物质，在两个热源之间，通过卡诺循环，对外做功。
图一左，T1代表高温热源，T2代表低温热源。热机在两个热源之间工作；图一右是热机的示意图。图2是卡诺循环的示意图。卡诺循环大致如下：
1.等温膨胀：热机先接触高温热源T1，吸收热量Q1，工作气体达到温度T1，等温膨胀，推动活塞对外做功W1；
2.绝热膨胀：热机离开高温热源，在绝热状态下膨胀，对外做功W2，热机工作物质的温度降到T2.
3.等温压缩：热机接触低温热源T2，向低温热源释放热量Q2，外界对活塞做功W3。
4.绝热压缩：热机离开低温热源，在绝热状态下，外界对活塞做功W4，压缩工作气体，使之升温至T1，活塞回到原来位置。
在这个循环中，热机对外界所做净功为W=W1+W2-W3-W4。由于能量守恒，热机对外所做的功等于它从高温热源获取的热量Q1，减去它传递给低温热源的热量Q2，即W=Q1-Q2。热机的效率η=W/Q1=1-Q2/Q1。
卡诺证明，卡诺热机的效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1，只与两个热源的温度有关，与热机工作物质的属性没有关系。因而提高热机效率的关键在于提高T1，或者减少T2。
图二 卡诺循环示意图
卡诺循环是一种理想的状态，如果卡诺循环的每一个步骤都无限缓慢、无限均匀，卡诺循环是可逆的。卡诺证明，可逆热机效率是最高的，并且所有可逆热机的效率都相同。而现实中的任何热机都不可能是可逆的。因而，现实中的任何热机的效率都低于卡诺热机。可逆与不可逆，是引伸出热力学第二定律的关键。
卡诺去世后，克劳修斯（Rudolph Clausius,1822-1888）和开尔文（Lord Kelvin1824-1907）分别对卡诺总结出来的规律进行研究和阐发，给出了热力学第二定律的两种表述方式。
克劳修斯表述（1850年）：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。
热从高温物体传到低温物体，这个过程是可以自发进行的，比如热水和冷水隔着容器相遇，热量传导，最后成为温水。但是这个过程不可逆。一个盆里的温水，自发地一半变成冷水，一半变成热水，是不可能的。
开尔文表述（1851年）：不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为功，而不产生其他影响。以热机为例，只有高温热源T1没有低温热源T2是不可能的。热能够转化为功，但是不可能完全转化为功。就是说，热机的效率不可能达到100%。如果热机在没有低温热源的情况下也能工作的话，就是一个永动机。让一个这样的热机，从任何一个单一热源，比如海水中吸热，哪怕使海水的温度降低一点点，所释放的热量完全转化为功，对于人类来说，也是无穷的能量。然后，由于有热力学第一定律，这些能量在使用之后，还是要转化为热能，就可以重新使海水升温。这样，人类就有了取之不竭的能源。这种装置虽然不违反热力学第一定律，但是违反热力学第二定律，故称为第二类永动机。反过来，热力学第二定律也可以表述为：第二类永动机不可能实现。
第一定律说的是物质和能量的守恒和转化，第二定律说的是，物质和能量的转化是有方向的。但是，哪些过程可以自发进行，哪些过程不能？
克劳修斯指出，在热力学系统中，还有一个隐藏很深的状态量，他命名为“熵”（entropy）。熵来自希腊语，意为“转变”。所谓状态量，是指描述系统状态的量，比如体积、温度、内能，都是状态量。系统的熵值也是标志系统状态的一个量。这个量，就与系统的“转变”有关。它规定着系统自发过程的方向。一个孤立系统（与外界既无物质交换又无能量交换）能够自发地从低熵状态转变到高熵状态，而不能自发地从低熵状态转变到高熵状态。就好比说，一个物体可以自动地从高处落到低处，而不能自动地从低处升到高处。采用熵这个概念，热力学第二定律就有了一个简单的表述：一个孤立系统的熵的变化大于或等于零。如果系统的初始状态没有达到热平衡，则系统会自发地达到热平衡，这是一个熵增的过程。到达热平衡之后，系统的熵不再变化，此后熵增为零。所以，热力学第二定律也被称为熵增加原理。
“熵”与“功”有密切的关系。一个系统处于低熵的状态，就有更强的对外做功的能力。系统对外做功，熵增加，就失去了对外做功的能力。就如一个物体在高处具有势能，具有对外做功的能力；当它从高处落到低处，对外做功，也就失去了对外做功的能力。所以里夫金对热力学第二定律有更加通俗的解释：能量总是从能用的，变成不能用的。
熵增加原理是针对孤立系的，对于非孤立系，稍作变通，也可以使用。比如把系统放大，把系统相关联的部分包括进来，成为一个更大的系统；或者对系统做一个明确的边界，考虑进出边界的能量流和熵流。
热力学第二定律可以对现实物理世界的很多现象给予解释。比如，从冰箱里取出一块冰，放在手上，冰化成水，水又化成气，从手掌中消失，与此同时，室内的温度略有降低，湿度略有增高。这个过程是我们能够见到的，是一个正常的过程，一个熵增的过程。但是相反的过程——伸出手掌，掌心慢慢变湿，凝结出一颗水珠，水珠越来越大，最后变成一个冰块，与此同时，室内的温度略有增高，湿度略有降低——虽然不违背热力学第一定律，但是违背第二定律，所以这个过程不会发生。
在宏观上，试图脱离卡诺循环，脱离公式，准确地理解熵的概念，是不容易的。1877年，玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann，1844-1906）为熵找到了微观的解释，把熵定义为系统某一个宏观态的微观可到达态的对数4。通俗一点儿，可以把熵理解为系统混乱程度的量度。
熵值越高，系统越混乱。一个由气体构成的系统，其宏观状态是一个个分子的微观状态所决定的。不同的宏观状态，对应的微观状态的数目是不一样的。某一宏观态所对应的微观状态的数目越多，该宏观态的熵越大。微观状态数目越多，系统就有更高的几率呈现出其所对应的宏观态，因而系统会自动地从微观状态数目少的宏观态，变化到微观状态数目多的宏观态，使得系统的熵增加。比如说，在桌子上放一千个全同不可分辨的硬币，起初，可以让所有的硬币国徽朝上，这时硬币系统的熵最低。随机地持续地拨弄硬币，有些硬币会被翻过来，也可能再被翻过去。但是，我们可以肯定，在足够长的时间之后，国徽朝上和朝下的硬币数目会大体相同。上下各一半的宏观状态，所对应的微观状态的数目最多，系统熵最大。继续随机搅动硬币，再经过同样长的时间之后，可以预期，系统会一直处于这个上下各一半的状态，熵达到极大，不再增加。但是，不可能预期会有某个时刻，所有的硬币回到初始状态，整整齐齐地亮出国徽。虽然理论上存在这种几率，但是几率小到实际上不可能发生。硬币数量越多，越不可能。
熵这个概念虽然最初是针对“能量”的，但是采用玻尔兹曼的微观解释之后，也很容易从“物质”的角度加以考虑。简而言之，物质在聚集的状态下，熵低；离散的状态下，熵高。
比方说，人从矿石中提取硅，使硅由离散的状态变成聚集的状态，这是一个熵减的过程，为此，人要对矿石做功，付出能量，如果把整个矿山和加工厂作为一个大系统，则大系统熵增；然后，把硅切割开来，放到一个个电子零件中去，硅由聚集态重新变成离散态，熵增。再比如，把一堆红豆和一堆黄豆作为一个系统，当红豆和黄豆分别堆放时，熵低；把它们混在一起，熵增加。
回过头来考虑热机这个系统，它有如下特征：
1.封闭系统：热机与外界有明确的边界，与外界没有物质交换，但是有能量交换，从高温热源吸收，向低温热源放热；
2.周期系统：热机一涨一缩是一个循环，每经过一个循环，系统回到原来的状态。
3.有序系统：热机承担某种功能，对外做功。
显然，热机这个系统的运行是建立在两个前提之上，一是从系统之外（高温热源）吸收低熵状态的热量，二是向系统之外（低温热源）排放高熵状态的热量。二者缺一不可。对于热机这个有序的周期系统而言，从高温热源获得的热量，是维持系统运转的能量；而排向低温热源的热量，则是热机自身所不需要的，必须排除系统之外的——它是热机的废热，是热机的垃圾。
三、人体与城市作为物理系统
任何由物质构成的系统，都可以看作是一个物理系统。对于人类社会，也可以把它看作一个物理系统，考察它的物质和能量的输入和输出以及转化。
首先考虑一个相对简单的物理系统——人体。与热机相对应，人体这个系统有如下特征：
1.开放系统：人体需要从外界吸收物质和能量，也需要排放物质和能量。这就是新陈代谢。人需要食物、水、空气，也需要阳光。食物不仅要提供人体所需要的物质，还要提供人体活动所需要的能量。同时，人还需要排泄，把人体内不再需要的物质和能量排到体外，比如粪便、呼出的气体、汗水等。人作为恒温动物，要保持相对稳定的温度，也常常需要散热。出汗主要是为了散热，而不是排水。
2.准周期性系统：人体作为一个物理系统，存在几个周期。一是自身的周期，比如肺部一呼一吸是一个周期，心脏一收一放是一个周期；二是响应外部世界的周期，比如昼夜、四季、晦朔，分别对应着地球的自传、公转和月球绕地球的转动周期。为了说明问题，我们只考虑自身的周期，比如呼吸。人体这个系统在一呼一吸之后，并没有回到系统此前的状态，而是处在与原来相似的状态。如果系统完全回到原来的状态，人就不会变老。所以人体的周期性是准周期。但是，如果不回到与原来状态相似的状态，则系统就谈不上周期性，那样的话，一个人在一呼一吸之后，就不再是原来的人。每个人独特的个体属性将不存在。
