熵，这个词至今已经近166岁了。 但是，它似乎有着一种迷惑思维的魔力。 从它诞生到现在，能够正确理解的人很少很少。 曾经有个著名的传闻说，当年香农提出信息论，冯·诺伊曼建议他使用熵这个词。 为什么？ 第一，没有人懂这个词的意思，显得很高档； 第二，他和别人争论时，可以无往不利。 这个传闻虽然子虚乌有，但确实有其道理。 坤鹏论在看了大量关于熵的文章后也发现，把熵当成混乱，当成不可用能量的占了绝大多数。 包括我自己，起初犯了这样的错，现在不小心还是会犯这样的错。 这里就再次溯本求源，起码看过这篇文章的大家，不再犯错。 1854年，当克劳修斯首次引入熵这个词时，他需要为自己发现的某种量想个名称。 这种量与能量有关， 但又不是能量本身。 我们已经知道，热力学系统做功的能力，并不取决于热量本身，而取决于冷热之间的温差。 我们把一块热石头投入冷水就可以做功，比如产生的蒸气可以推动涡轮机。 但是，由石头和水组成的系统的总热量维持不变。 并且，最终石头和水会逐渐在同一温度。 相反，无论一个孤立系统内含有多少能量，只要系统内的所有物体的温度都相同，它就无法对外做功，也就是达到了平衡态。 克劳修斯想度量的就是这种能量不可用（无法用于做功）的程度。 他创造出了熵（entropy）这个词。 该词源于希腊语的“转换”，其德文同音字可以写为Entropie，和德文的“能”Energie在字形上接近。 而“熵”的英文entropy与“能”的英文energy字形相近。 这样，也可以很好地体现出“熵”与“能”这两个量在物理重要性上有着密切关系。 注意，这个能是热力学第一定律所说的内能U。 简而言之： 熵不是能量的一种； 熵也不是能量的数量； 熵是克劳修斯所说的——能量的不可用程度。 后来，玻尔兹曼用统计力学对熵进行了诠释，为物理学引入了概率。 通过从微观态到宏观态，我们知道了，可用的能量是有序的能量，不可用的能量是无序的能量。 熵，指的就是能量无序的程度，是系统内分子热运动无序程度的一种量度。 再精确地说，熵就是分子随机热运动不确定度的度量。 无序的同义词是混乱。 混乱这个词显然比无序更容易让人理解，且印象深刻。 于是，人们更喜欢用混乱。 所以，熵， 不是——不可用的能量； 不是——无序； 不是——混乱。 熵， 是——系统内能量不可用的程度； 是——系统内分子热运动的无序程度； 是——系统内的混乱程度； 是——系统内混乱的概率。 熵增， 是——系统内能量不可用程度的增加； 是——系统内分子热运动无序程度的增加； 是——系统内混乱程度的增加； 是——系统内混乱的概率的增加。 最后，坤鹏论再补充提醒一点： 一个过程中的熵由两部分组成，一部分是由于摩擦与混合产生的熵，另一部分则是热量转换的熵。 但它们都代表着系统内能量不可用的程度、混乱程度。 二、生命赖负熵为生 昨天在《物理学神兽之拉普拉斯兽和薛定谔的猫》中我们认识了神兽薛定谔的猫。 也知道了诺贝尔物理学奖得主、量子力学奠基者埃尔温 · 薛定谔，是一位特别善于思想实验的科学家。 他除了薛定谔的猫，对于熵的理解，以及与生命的联系，也非常恢宏。 1943年，他在都柏林三一学院的一系列公共讲座中，试图回答一个困扰人类很久的难解之谜： 生命是什么？ 尽管薛定谔是量子物理的先驱，是诺贝尔奖得主，但是，和其他诺贝尔奖得主一样，他们在涉足其他领域时，也不得不牺牲一些严谨性，代之一些大胆推的测。 恰恰是这次讲座中的大胆推测，居然奠定了一门新兴学科的基础，一门整合了遗传学和生物化学的交叉学科——分子生物学。 后来，人们根据这次讲座的内容整理出来了一本小书——《生命是什么？》 这本书中并没有发现什么新东西，甚至也没有提出什么新东西。 但是，许多人认为，正是薛定谔的这本小册子引发了一场生物学的革命。 同时它也使得热力学定律突破了物理学，逐渐成为自然发展的普遍规律，特别是热力学第二定律。 讲座中，薛定谔先提出了”神秘的生物恒定性“，也就是生命体的结构表现出令人惊叹的恒定性。 这种恒定性不仅伴随着生命体的一生，还能通过遗传代代相传。 他认为，这是最需要解释的现象。 接着，他又反问：”生命的特征是什么？“”一个物体怎样才可以说是活的？“ 薛定谔没有使用大众化的答案，比如：会成长、会进食、会繁殖等。 他的答案是：”只要它在不断‘做些什么’，比如：移动、与周围环境进行物质交换，诸如此类，并且持续时间要大大长于我们预期无生命物体在类似情况下做这些活动的持续时间即可。“ 这个答案总结成一句话就是——生命在于运动。 而这句话并非薛定谔的原创。 它源于十八世纪法国思想家伏尔泰（1694.11.21－1778.05.30），这句话是其体育哲学运动观和生命观的浓缩精华。 他认为，生命所进行的运动是高级的物质运动形式。 蛋白质是生命运动的主要物质基础； 生命运动是蛋白质的固有属性和重要的存在方式。 生命在于运动的内涵是： 生命的产生在于运动，运动是生命诞生的前提条件，没有物质运动就不会有生命的产生； 生命的存在在于运动，运动也是生命存在的基础，要维持生命体存在，也离不开物质运动； 生命的发展在于运动，运动又是生命发展的动力和源泉。可以说，没有了运动，人就活不下去。 生命运动不仅包括植物、动物、微生物运动，还包括人类生命体运动； 对人体生命来说，不仅指机械运动，还包括物理运动、化学运动、社会运动和思维运动； 不仅包括宏观的躯体运动，更包括微观的细胞运动、分子运动等诸多运动形式。 所以说生命在于运动。  接着，薛定谔从熵变的观点分析了生命有机体的生长与死亡，道出了不断被后人传播的一句话： “一个生命有机体，在不断地增加着它的熵——你或者可以说是在增加正熵——并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断汲取负熵，我们马上就会明白负熵是十分积极的东西，有机体就是赖负熵为生的。” 负熵是什么？ 前面提到了，熵代表着能量的不可用程度，进而代表了混乱程度。 那么，负熵的正解自然应该是代表能量的可用程度，进而代表了有序程度。 显然，将这个意思代入到这段话中，有点不太对头。 而且，薛定谔在《生命是什么？》的其他部分的表述也显露出，他很可能也像很多人那样错误地将熵定义为不可用的能量、混乱了。 坤鹏论再三斟酌，如果仅就这一段来说，其实我们只要将负熵视为薛定谔创造的一个新词，它与秩序同义，也就没什么问题了。 同时，在反复阅读理解后，坤鹏论认为，在薛定谔的讲座中，有着这样的词义等式： 负熵＝秩序＝有序的能量＝可用的能量 让我们通过修订薛定谔的这段话来验证一下有没有问题： 一个生命有机体，在不断地增加着它的熵——你或者可以说是在增加正熵——并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断汲取秩序，我们马上就会明白秩序是十分积极的东西，有机体就是赖秩序为生的。 不错吧？！ 这样下来，把熵按照能量的不可用程度、混乱程度代入进去，负熵改为有序的能量，也是全然没有毛病的： 一个生命有机体，在不断地增加着它的能量的不可用程度——你或者可以说是在增加能量的混乱程度——并趋于接近最大值的混乱程度的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断汲取有序的能量，我们马上就会明白有序的能量是十分积极的东西，有机体就是赖有序的能量为生的。 薛定谔这段话，换个角度也可以这样讲： 生命有机体死的关键是，它的能量不可用程度达到了最大值，就是达到了无序、混乱的极限值，能量的可用程度微乎其微，它整体处在了平衡态，不再发生变化，一团静止，了无生气，也就是克劳修斯的热寂说。 生命有机体活的关键则为，因为能量的不可用程度会自发增加，这是不可逆的，只有持续地从外部汲取有序、可用能量，才能抵抗熵增，实现熵减。 如果你跟着坤鹏论学习下来，到这里，就会明白，这段话也像生命在于运动一样，并不新鲜。 玻尔兹曼早就从更宏观的角度给出了更精辟的解释： 第一，如果没有外部能量输入，孤立系统趋向越来越混乱（熵越来越大）。 比如：如果房间无人打扫，不可能越来越干净（有序化），只可能越来越乱（无序化）。 第二，如果想让一个系统变得更有序，必须有外部能量的输入，当然，前提是系统是开放的。 第三，当一个系统（或部分）变得更加有序，必然有另一个系统（或部分）变得更加无序，而且无序的增加程度将超过有序的增加程度。 对比一下我们就会发现，薛定谔不过是换到了生命体的角度来阐述这三个结论。 所以，请记住它们，并在阅读下面的文字时以它们为总纲指导。 前面讲过，宇宙这个孤立系统，它的熵在不断增加。 但是，其中的生命体却能够短暂地违背热力学第二定律，保持着低熵（低混乱程度）的状态，甚至有点像永动机一样运作，或至少看上去如此。 这就是为什么说生命体”看上去如此神秘“的原因。 那么，只要解开生命体是怎么做到这点的，也就破解了这个“如此神秘”。 薛定谔给出的答案是：不断进食。 生物学上对这个过程有个专业词汇——新陈代谢。 人们认为：生命的新陈代谢过程，目的就是和外界交换物质，并在这个过程中补充生命活动所消耗的能量。 对此，薛定谔提出了他的犀利疑问： 同一元素的不同原子之间并没有什么差别，生命个体内的一个碳原子和食物中的一个碳原子是一样的，生物体内的一卡路里能量和体外的一卡路里能量也是等价的，并无高下之分。 那么，单纯的物质交换和能量获取有什么意义呢？ 由此开始，薛定谔给出了他那令人心驰神往的答案。 生物作为宇宙的一部分，它自身的熵也有着不断增加的自然趋势。 生物的每次呼吸，每个动作，它们的效果都是熵增。 也正是熵增将生物体一步步带向死亡。 为了维持生存，生命体必须设法持续从外界摄入可用能量，从而增加自身能量的可用程度，此消彼长，能量的不可用程度会减小——熵减。 同时，生命还要排放代谢废物和废热，以这种方式将产生的不可用能量释放回环境。 所以，新陈代谢的本质是，生命体使自己摆脱在其存活期内所必然产生的熵。 换言之，生命体从周围环境中汲取负熵（秩序）。 生命以负熵（秩序）为食！ 显然，这就是前面三大结论中的第二点，必然靠外部能量输入才能熵减。 但是，能够从外部汲取能量的是系统是开放的。 从这个角度，让我们一起审视我们所在的生态圈。 太阳，是一个熵极低的存在，它是地球最大的可用能量来源。 地球，实际是一个开放系统。 它接受阳光，吸引热辐射，从太阳那里获得负熵（秩序）。 然后，又辐射出所吸引的一部分太阳的热量——高熵的红外线，散发到太空中去。 对于地球而言，这无异于构成了一个熵减的环境。 我们再从整个地球缩小到单个生物，比如：植物、动物，包括人类。 它们和我们，其实都是一个个开放体系。 正因为都是开放体系，才形成了地球之上的完美生态循环。 草食动物和肉食动物则通过进食，摄取包括植物、动物内的有机化合物。 有机化合物是生命的基础，它的最大特点就是物质组织得井然有序，是绝对妥妥的有序能量。 动物消化吸收之后，再将其排出体外，这时物质的有序性已大大降低，但并未完全退化，因此它还能被植物和微生物利用。 与此同时，植物还从阳光里吸收了能量以及负熵（秩序）。 从根本上讲，所有的生物都是在靠着汲取负熵（秩序）来维持生存。 整个生物圈其实就是一个负熵（秩序）循环“传递”的过程。 而开放的个体在其中摄入食物、汲取热量、消化，然后再排泄出去。 也就是，它们不仅与环境有能的交换，物质上也有交换（吸进、再排出）。 但是，这基本上是一个相对稳定的体系，所接受的和所输出的，接近于相等。 所以，人类才能够保持一定的温度，与外界有一定温度差，造成熵减小的体系。 事实上，一个使熵减少的体系，对于生物进化是至关重要的。 现代文明实际就是千方百计想出各种方法，在不违背自然规律的情况下，减少系统的熵，而不是使熵增加。 为什么？ 这是潜藏在最深处的本能——远离平衡态。 因为，只要活着，就维持着非平衡态，只要想活着，就必须维持非平衡态。 这里再提醒一句，这种远离平衡的能力，只有开放系统才有。 同时，万物都有熵增的趋势，熵减少并不能凭空产生。 因此，能量守恒定律之下，一个局部范围熵的减少，必然以另一处的熵增为代价。 比如：生命通过进食维持自身的低熵状态，就需要把自身产生的无用能量，以代谢废物和废热的形式排放回所在环境中，这就增加所在环境的熵。 薛定谔认为：生命这种从合适环境中汲取负熵（秩序）的“天赋”，与其所具有的遗传物质有着密切的关系。 虽然遗传物质和宇宙中的其他物质一样，只是一团原子而已。 但这团原子本身具有极低的熵，最终可以通过复杂的物理和化学过程，生产出蛋白质等物质（复杂性科学中的涌现现象）。 这些物质构成了一个个细胞，并十分严格地控制着各项生命活动。 《生命是什么？》一书出版时，DNA还没有被人类发现。 薛定谔在书中从物理学角度分析了生物的遗传变异等现象。 他发明了“非周期性晶体”这个术语作为遗产密码的大胆设想。 次年，也就是1944年，阿弗利发现了细菌转化现象，第一次直接证实了人们寻觅已久的控制生物遗传的物质基因。 它就是脱氧核糖核酸（DNA），也就是细胞核内DNA是遗传的物质基础，遗传信息就蕴藏在DNA的分子结构里。 1953 年，克里克和沃森共同发现了DNA双螺旋结构，揭示了遗传信息及其复制规律，叩开了分子生物学大门。 话说，在DNA之前，科学家认为生命是以LUCA存在的。 有人开玩笑地说，人就是一堆水、一堆蛋白质、一堆碳水化合物……本都是没思想的物质。 这话真没错。 我们的始祖就是一种“蛋白质＋RNA（核糖核酸）”的聚合体，科学家将她命名为LUCA。 LUCA通过吸收能量来大量复制，但是问题来了，宇宙的熵总的来说是增加的，所以LUCA的熵减会导致环境的急剧熵增。 环境恶化，LUCA无奈只能进化，变得更高级以适应环境的变化，于是DNA聚合体诞生了。 DNA比RNA更稳定，也更加智能。 但是这样一来，消耗的能量更大，吸收的物质更多，导致环境的熵增比以往更大。 所以，DNA聚合体被逼着向单细胞演化。 同样的结果，环境的熵增再次增加。 单细胞只能继续向更高级的多细胞进化。 寒武纪生命大爆发诞生了。 又因为孤立系统无法获取足够的能量，所以多细胞开始移动，并且产生了感知能力，比如视觉、嗅觉、听觉等。 从此，生命走上了智能的进化之路。 这个过程被王东岳称为递弱代偿。 即生命的熵减过程，会加剧环境的熵增，于是环境会变得越来越恶劣。 生命为了生存，为了获得足够的能量和物质，必须变得更加智能…… 本文由“坤鹏论”原创，转载请保留本信息 |
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