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为什么薛定谔会说“生命以负熵为生”?什么是熵?

 杭盖2020 2021-02-07

薛定谔的原话表述是:生命以负熵为生,或生命以负熵为食。

接下来,我们对生命、熵、负熵以及宇宙这些玄而又玄的概念进行拆解。拆解完了,你也知道这句话到底是什么意思了。

可能比较烧脑,但不至于摸不着头脑。既然“生命以负熵为生”,那我们也应该让大脑多汲取一些负熵为食。

先说生命,生命到底是什么?

有些事,看着简单但想起来复杂,而解释起来更是不知从何说起。所以,生命到底是什么,你说不清楚,专家也说不清楚。那怎么办?大家只能搞比喻论证,只不过有一派叫科学,另一派叫宗教。

我们把生命比喻为一座大厦,而建造大厦的钢筋水泥和砖瓦木料,就是生命物质。

制造生命的最基础物质是氨基酸,接下来是蛋白质和DNA。

1965年的时候,中国科学家成功合成了牛胰岛素,这是蛋白质。2017年的时候,美国哥伦比亚大学成功合成了一个超长的DNA链,这是DNA。

现在好了!建造大厦的钢筋水泥和砖瓦木料,我们都准备齐全了。接下来就要问:用这些生命物质,我们能够制造生命吗?

答案是还不能,至少只有生命物质,还不能。

一个简单的比方:一只“落霞与孤鹜齐飞”的野鸭子,肯定是生命;但是你把它抓住、然后塞进烤炉,把它变成了一只北京烤鸭,那它还是生命吗?

肯定不能这么说吧。所以,用大厦来比喻生命,根本就没有揭示出生命的本质,或者说还相去甚远。这就叫引喻失义。所以,只能继续搞比喻论证。

日常生活的大厦高楼,太常见,既不复杂也没逼格。所以,咱们就要用更有逼格的抽象概念,来搞比喻论证。看得着的高楼大厦,是零阶喻体;抽象的科学概念,是二阶或高阶喻体。而之所以觉得烧脑,就是因为人家不玩低阶而改玩高阶了。

PS:什么是零阶、什么是高阶?有钱真爽,这就是零阶或一阶智慧。这等同废话,因为大家都知道。粪土当年万户侯、安贫也能乐道。这是鸡汤,但比零阶或一阶更复杂,所以是二阶或高阶智慧。因为要解释、要感悟、要升格,简单说就要装。而你只有明白了零阶或一阶的:有钱真爽,才能认识到二阶的或高阶的“安贫乐道”,逼格满满。

再说,高阶的熵和负熵。

什么叫熵?直接用薛定谔的举的例子:

比如你熔解一种固体,它熔化时所需要的热量除以熔点温度就是它的熵增加量。因此,从计算公式中我们就可以看出熵的单位是卡/摄氏度。

所以,熵就是一种物理量,与速度、加速度一样。速度,我能理解,就是有多快;加速度,我也能理解,就是速度越来越快。但是,熵,这个物理量要不知道是啥了。关于熵的公式,即熵=klnD,则更是让人望而却步。

你能搞出一个物理公式,说明你数学足够牛,但你能解释它的物理含义吗?因为我们普通人根本不管你的数学方程是个什么东西,我们只问你的物理解释。

在解释黑体辐射的时候,一帮科学家黔驴技穷了,死活搞不定。于是,普朗克出手。这个狠人不搞物理而搞数学,硬是根据实验数据凑了一个方程,即E=hf。这个方程的确能够精准描述黑体辐射中光的颜色分布曲线。但,普朗克却说不出这个公式到底啥意思,给不出物理解释。

所以,熵到底等于谁除以谁,我们不关心;我们关心的是:熵到底是什么。你得用人话给解释出来。

我们大体上可以把熵解释为无序的程度,越是无序,则熵增;越是有序,则熵减。

但无序这个概念不够严谨:你觉得屋子井井有条是有序、是低熵,那我这个邋遢人还觉得井井有条是无序、是高熵呢。事实判断变成了价值判断,你这还怎么搞?所以,就要对无序进行精确定义。

无序,精确一点儿的定义是:有多少中排列方式。

一种组合是:一堆豆子排列得整整齐齐;另一种组合是:一对豆子撒的哪哪都是,而且它们还可以任性地滚来滚去。

就是这两种组合,哪一个排列方式更多?当然是后者,于是就可以说后者的熵比前者大。

接着再举一个例子,一杯冰块和一杯水,到底哪一种组合的熵更大?看着一杯冰块恣意混乱、一杯水“井然有序”,但这是在宏观层面,具体到微观层面,你要看水分子的排列方式。所以,一杯水的熵,要比一杯冰的熵更大。

熵和熵增的讨论到此为止,接下来:以熵这个高阶知识,来解释宇宙。

宇宙到底有没有目标?宇宙中的物质到底有没有目标?目标是个主观意志或价值信念,所以只有人才有。但是,你怎么解释光的折射呢?

一束光从空气射入水中,肯定要发生折射。但是,光为什么要折射呢?原因是:光在两点之间走的轨迹,一定是所有路径中最短的那一条。好了,问题也就清楚了。因为光在水中的速度要比光在空气中的速度慢,所以光就尽量多在空气中走、少在水中走,这样的路径才能最短。而折射恰恰是这么发生的。

于是,我们能不能说光也有目标呢?

以此类比,其他物质或现象是不是也有目标?如果这个推论能成立,那么我们是不是可以说:真实世界的物理过程总是在把某个物理量最大或最小化,而它们的目标就是搞优化呢?

不管其他物质、物理量是怎么想的,我们就看熵。既然光是有目标的,即走最短的路径,那么熵是不是也有目标。而熵的目标是什么呢?

这个目标,被热力学第二定律个解释了。热力学第二定律有很多表述,我们只取一个,即:

任何一个孤立系统里,总体的混乱程度,只会增大不会变小,直到达到混乱的最大化,也就是熵一定要增大。

从热力学第二定律出发,我们只能推导出悲观的宇宙未来:所有的星星都会熄灭,所有秩序都会瓦解,所有的热闹都会消散,宇宙将变得毫无生气。而这就是热寂。

所以,宇宙是有目标的,宇宙的目标就是热寂。

但是,宇宙从一个奇点变成一锅热粥,接着变成现在这样五彩斑斓,你怎么解释?

因为热寂是宇宙的总目标,但宇宙还有次目标。这个次目标就是自组织。因为引力的存在,所以很多东西就聚集在一起。于是,恒星会发光、地球绕着太阳转。这就是自组织。于是,引力把无序变得有序了,变成了现在这个五彩斑斓的宇宙。

但是,引力能够拒绝熵增、避免热寂呢?

答案是不能,因为引力导致的只是局部自组织,只是实现了宇宙的次要目标。而这个局部自组织却在加剧总体的熵增,次要目标也在加速总体的目标。

你用吸尘器把自己的房间打扫的一尘不染,但是吸尘器用的电是从哪里来的?是从火电厂,火电厂燃烧了大量的煤炭,也就制造了更多的无序。所以,你的房间只是局部的有序,而这种局部的有序却使用了能量,而能量加大了总体的无序。

而生命也是这个道理。你维持了自己的自组织、自己的生命、自己的有序,但你要消耗食物,而这些食物恰恰因为你而变得无序。

所以,薛定谔说“生命以负熵为食”,意思就是:一个动物想要活着,就要持续不断地吃下去混乱度比较低、熵也比较低的食物,然后排泄出混乱度比较高、熵也比较高的粪便。

熵增,是宇宙的总目的。所以,生命体无时无刻不在外界产生熵,也在体内制造熵。结果只能是不断接近熵的最大值。而一旦到了这个最大值,生命体也就到了它的危险时刻,即死亡。

那么,该如何摆脱死亡呢?就是生命体不断地从外界汲取负熵,这是唯一的办法。而“有机体成功地在它的存活期间不断地消除活着的时候不得不产生的全部的熵,这即是新陈代谢的本质”。

我们到底该怎么看待薛定谔关于生命的这个高阶说法呢?

人是有理性的,但理性是有局限的。

我们用尽理性,探索未知、汲取信息。这是积极的负熵。但是,理性是有局限的。吾生有崖而知无涯,“以有涯随无涯,殆已”。宇宙却在永不止息的熵增。

所以,我们要保持一种敬畏、一种谦逊、一种不热忱的执着。如果觉得这太过悲壮,那么也可以狂妄地诙谐一番:薛定谔也只是搞了一个比喻论证,而已!

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