活着就是对抗热力学第二定律

薛定谔的《生命是什么》一书最经典的观点:生命以负熵为生。

要理解这句话,首先要理解什么是“熵”,要理解“熵”,这里需要补充一个重要的物理知识点:热力学第二定律。

热力学第二定律是说在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。

请你一定要记住这个定律,因为所有生命活着的终极使命只有一个,就是对抗它。如果有一天不再对抗它了,那生命就离终结不远了。

我举个形象的例子,帮你粗略地理解一下热力学第二定律:请你想象这里有半杯咖啡,现在往里倒入半杯牛奶,并且不搅拌,会发生什么呢?

生活经验告诉我们,当然是两者开始慢慢融合,咖啡的颜色变浅,而奶也不再有乳白色,最后融合成一杯牛奶咖啡。

这个事太常见了。那你想过下面这些问题吗:

咖啡和奶为什么会融合呢?在微观的分子层面,发生了什么?

混合了的咖啡和奶,还能再分开吗?

回答了这三个问题,你就大致能知道热力学第二定律在说些什么了。

咖啡与牛奶接触的那一刻,这个杯子里就出现了一个新的“系统”。这个新系统形成之初,咖啡分子和牛奶分子仍然更密集地集中在自己那一半空间里,自己人挨着自己人,比较有序。

在没有任何外力干涉的情况下,随着时间流逝,双方的分子都会逐渐向对方的空间扩散,和对方分子混合在一起。这时,我们看到的是咖啡和牛奶的慢慢混合。

这个过程会停止吗?

当咖啡分子和牛奶分子混合到最均匀状态的时候,这个系统就达到了最终的平衡。什么是最均匀的状态呢?

就是假如有一艘分子大小的潜水艇沉入这杯液体中,会看到无数多的咖啡分子和牛奶分子乱糟糟地随机混合在一起,完全没有排列规律可言。要想把这两种分子彻底分割开,已经是不可能完成的任务了。

现在我们把热力学第二定律对应起来看。

刚刚加入了半杯牛奶的咖啡杯,这是一个独立的系统,系统形成之初,分子排布呈现出较大的有序性。

在没有任何外力介入的情况下,随着时间推移,分子的秩序自发走向越来越大的混乱,直到达到混乱的最大化,系统达到最终的平衡。

这个过程是完全不可逆的,混合一旦开始,我们就再也没有办法把牛奶从咖啡中分离出来了。

这种从有序到混乱的变化,背后的驱动力就是热力学第二定律。

这个定律的表述里,系统的混乱程度被称做“熵”。任何一个孤立的系统,都会走向更大的混乱,也就是熵会不断增加。熵最大的时候,就意味着丧失了变化的能力,新的平衡出现了。

一个苹果,落在地上之后,内部秩序从有序走向无序,熵不断增加,从腐烂变质,到最终融入大地,达到新的平衡;

一根钢筋,熵增的过程就是不断被锈蚀的过程;一块岩石,熵增的过程就是被风化的过程……

这里要再重申一遍,我们对热力学第二定律的解释其实很肤浅,如果大家要深入理解,还是要读一读物理书。

生命以负熵为生

简单了解了热力学第二定律,你很可能马上就会想到,生命现象好像根本就不该出现啊。

生命是个多么有序的现象啊,复杂的生物化学反应自发地在生物体内发生,动辄数以百万亿细胞在一个生物体内自发分工协作运转。

如果大自然必然走向不可逆的无序,那么生命这样复杂精密的时空结构,是怎么在无序中产生的呢?

不光如此,只要生命体还活着,它就必须有能力持续地保证它的混乱程度非常小,时空结构高度精密,这都是和热力学第二定律恰好相反的。难道你我真的是逃出自然规律之外的异类吗?

解答就藏在热力学第二定律中。

不知道你注意没有,我刚才的表述里有“孤立系统”这4个字。什么是孤立系统?就是没有能量和物质输入、输出的系统。

如果有能量持续地输入,那么热力学第二定律就打开了一扇后门:在一定空间、一定时间的范围内,混乱程度有可能持续下降。

只要有持续的能量输入,生命现象、高度精密的时空结构,是能够存在并得到很好的维持的。

所以,能量才是生命现象得以发生的根本动力。

薛定谔说,一个动物想要活着,就得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。

图片发自简书App

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