熵與生命
學(xué)號：3031999027 姓名：張大磊
在整個《物理化學(xué)》課程的學(xué)習(xí)中，我感覺最難以理解的概念就是“熵”。為了掌握這個概念，課下我查閱了許多參考書、學(xué)習(xí)資料和文獻(xiàn)，后來驚奇地發(fā)現(xiàn)：原來對于熵的研究已經(jīng)不僅局限于自然科學(xué)領(lǐng)域，人文科學(xué)中關(guān)于熵的研究亦進(jìn)展得如火如荼。尤其在生命領(lǐng)域，熵更體現(xiàn)出它獨(dú)有的魅力和價值。下面我將運(yùn)用在課堂上學(xué)到的有關(guān)知識、參照其他資料，對熵與生命之間的關(guān)系進(jìn)行一次簡要的探討。盡管我花費(fèi)的時間在同學(xué)中最多的（大約四十個小時），但還是比較倉促的，如有遺誤錯漏，煩請教員和各位同學(xué)不吝賜教。
熱力學(xué)第二定律的原理是：熱從高溫體向低溫體傳遞，因而總能量守衡但將不斷減少做功能力。這個貌似簡單的定律實(shí)際上包含著極豐富的科學(xué)意義。正如“法拉第第一定律”是宇宙間最為精確的定律之一一樣，我個人認(rèn)為熱力學(xué)第二定律是宇宙間最為深奧和永恒的規(guī)律之一。在一個熱機(jī)系統(tǒng)中，熱傳遞產(chǎn)生系統(tǒng)做功，系統(tǒng)熱效率越高，熱量轉(zhuǎn)換為有用動能越多。但無論怎樣改進(jìn)熱機(jī)，也永遠(yuǎn)無法達(dá)到熱功之間的完全轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵跓徂D(zhuǎn)換中能量的耗散是我們無法避免的。為了表述熱機(jī)系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)換為有用功程度的大小，克勞修斯為第二定律引入了一個新概念——“熵”。熵的原意是轉(zhuǎn)變，在數(shù)學(xué)上它是熱機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，熵小意味著一個系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ某潭雀撸卮髣t表示轉(zhuǎn)變程度低，這就區(qū)分出了有用的能量交換與不可逆地耗散掉的能量的關(guān)系。這個概念的提出從根本上促成了熱力學(xué)第二定律為人們所意識到并接受。
熱力學(xué)第二定律的意義很快就超出其產(chǎn)生的領(lǐng)域[1]。通過熵的數(shù)學(xué)表述，人們認(rèn)識到，在一個熱力學(xué)系統(tǒng)中，熵增指熱能量耗散增加，意味著熱能在做功中部分熱能向系統(tǒng)環(huán)境均勻化地耗散了，這個過程是不可逆的，因此熵只能是正或?yàn)榱?。這樣，熵增就表示著熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部一種不可逆的過程。這個結(jié)論使想完全控制自然（如制造永動機(jī)）的人在自然面前碰了個大釘子。但經(jīng)過冷靜思考之后，人們開始意識到：系統(tǒng)的熵增實(shí)際也表示著系統(tǒng)的一種自發(fā)地進(jìn)化，是“系統(tǒng)進(jìn)化的指示器”，是系統(tǒng)的“時間之矢”。
不止如此，克勞修斯 1865 年的第二定律的宇宙論推論，更是令人大吃一驚：“宇宙的能量是常量；宇宙的熵趨于最大”，即所謂的“宇宙熱寂說”（也有人如物化趙教員般稱其為“熱死說”，更加形象但翻譯不大貼切，以下統(tǒng)稱“熱寂說”）。
“熱寂說”雖有爭論，但現(xiàn)代宇宙大爆炸說已經(jīng)證明，宇宙是有自身時間的箭[2]，因而是有一個從生到死的生命演化過程的。這樣，人類在追求宇宙和自身的永恒中，通過熱力學(xué)語言，很不情愿地發(fā)現(xiàn)了與我們?nèi)祟惖纳杏X相一致的、正如遠(yuǎn)古哲人孔子所述的“逝者如斯夫”那樣的宇宙事實(shí)：時間并不是幻覺，而是物質(zhì)有方向的變化過程；時間具有方向性，是不可逆的，無論是宇宙還是我們?nèi)祟悾荒軓纳剿?，而不可倒逆；宇宙沒有永恒體，沒有上帝，我們?nèi)艘膊豢赡苡鸹上?。熱力學(xué)毫不顧忌我們?nèi)祟愅甑哪欠N幻想和價值意愿，僅用“燃燒之火終將熄滅”這樣一個簡單的事實(shí)就打破了我們自以為真實(shí)而實(shí)際只存在于文化符號中的諸如“天堂”、“理想國”等理念的永恒世界，殘忍地向我們揭開了整個宇宙和人類的一種悲劇化的過程，讓人類又一次從真正意義上看到了自我的份量，悟到這一點(diǎn)后，我感覺自己成長了許多。
過程的終點(diǎn)雖然被認(rèn)為是熱寂與死亡，但由熱力學(xué)所開創(chuàng)的復(fù)雜性科學(xué)同時也就揭示了與熱寂、死亡對極的“生”、“成長”、“生命力”、“自然演化”的時間秘密，開拓了建立人與自然一種新型關(guān)系的道路，使我們?nèi)祟惸苷_認(rèn)識自身在整個自然中的位置，從而有可能建構(gòu)出一種促成人類與自然和平共處、共同發(fā)展的新的科學(xué)體系和價值體系。
第一、復(fù)雜性科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生命組織和生命活力，無論是宇宙宏觀系統(tǒng)還是細(xì)胞的微觀系統(tǒng)中，都只能產(chǎn)生在系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的對稱破缺時，而不是我們以往所理解應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生在平衡態(tài)之中。
正如《時間之箭》作者彼得·柯文尼所說的“生機(jī)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時萌動”。在非線性狀態(tài)，由于反饋形成的相關(guān)性，使得系統(tǒng)內(nèi)部微小的變化就能激發(fā)大的振蕩，從而促使結(jié)構(gòu)突變而產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)組織形態(tài)。如果這個系統(tǒng)是封閉的，在振蕩和自組織變化過程中，由于熵增，系統(tǒng)將很快達(dá)到平衡，結(jié)構(gòu)變化消失，趨于混沌。而如果系統(tǒng)是開放的，就可以通過與外界能量的交換，把增熵輸出到外部去，從而保持系統(tǒng)非平衡狀態(tài)中的自組織結(jié)構(gòu)，保持生命和生命的活力。
第二，在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)中，“熵”而不再只是能量的耗散和浪費(fèi)，而是具有偉大的創(chuàng)生和建設(shè)性作用的。
首先，在非平衡、對稱破缺的初始條件中，熵增暗示著系統(tǒng)的一種內(nèi)在極化，是一種選擇性原則，使只有使系統(tǒng)做功并最終達(dá)到熱平衡的那種趨勢（即生命的趨勢）可以產(chǎn)生并演進(jìn)。其次，演進(jìn)過程中所產(chǎn)生的熵壘，阻止系統(tǒng)返回過去，使系統(tǒng)只能向前，演進(jìn)是不可逆的。最后，由于熵增，系統(tǒng)內(nèi)部個體的相對運(yùn)動和相干性加強(qiáng)，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的生命活性。
第三、這樣，復(fù)雜性科學(xué)使人們醒悟，經(jīng)典科學(xué)在認(rèn)識自然時所以把“時間”定義成可逆的，正暗含著控制、操作自然的價值心態(tài)。
在這個文化背景中，熵增、隨機(jī)、不可逆、非線性的振蕩就被看作是一種負(fù)價值的東西，不但是物理科學(xué)意義上的能量的耗散與浪費(fèi)，而且是文化意義上的不和諧、不可控、不安分，是與真、善、美的世界相悖的東西。然而，大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，熵增、隨機(jī)、不可逆、非線性的振蕩恰恰是“生命”、“自然”和“自然生機(jī)”這些現(xiàn)象最本質(zhì)的原因。熵增意味著最終的混沌、無序、熱寂和死亡，然而同時也意味著它孕育了這個過程之中的那短暫卻壯麗輝煌的“生命”、“生命力”，創(chuàng)造了大自然最神奇的“成長”和“自然演化”的機(jī)制，顯示著物質(zhì)自身運(yùn)動真正的“時間”，包含著整個宇宙生與死、從混沌到有序的全部秘密。熱力學(xué)開創(chuàng)的復(fù)雜性科學(xué)在本世紀(jì)得到了全面的發(fā)展，取得了一系列令人矚目的科學(xué)成果，大大拓展了人們的科學(xué)視野，為建立人與自然一種新型關(guān)系，建立一種沒有“上帝”的新的價值觀提供了科學(xué)文化基礎(chǔ)。今天環(huán)境與生態(tài)科學(xué)的發(fā)展使我們知道，整個自然生態(tài)環(huán)境及其中物種間的關(guān)系遠(yuǎn)比人類以往所知道的復(fù)雜得多。早期工業(yè)化過程中的人對自然的控制、操作和改造，使人類在享受其成果的同時，也招致變異了的自然的報復(fù)。這使我們要重新認(rèn)識自然，也就要重新思考人類自身。我們都在不斷地進(jìn)行人生的定位思考，卻沒有給予整個人類、整個大自然足夠的重視。一種新的世界觀應(yīng)該是：人類的科學(xué)和理性并不是要最終地控制自然，把自然作為人類的奴隸，甚至愚蠢地提出“人定勝天”等口號，而應(yīng)該尊重自然，理解自然，在與自然的平等對話、和諧相處中與自然共同發(fā)展，正如同中國古代儒、道達(dá)成的共識“天人合一”一樣。時間是一種建設(shè)，它正擔(dān)負(fù)著這種倫理責(zé)任。
既然主宰著宇宙中一切運(yùn)動過程的至高無上的勢力學(xué)第二定律定律（就是也稱為熵增定律）告訴我們宇宙中的能每時每刻都在不可逆轉(zhuǎn)地耗散著，任何孤立系統(tǒng)都會伴隨著能量的耗散而趨于無序、互解和熱寂。那么為什么我們所見到的社會卻又在不斷的進(jìn)化和趨于有序呢？一直到二十世紀(jì)六十年代，這個問題的答案才浮出水面：比利時自由大學(xué)布魯塞爾學(xué)派的領(lǐng)導(dǎo)人物理學(xué)家伊·普利高京（Iprigo－ginc）創(chuàng)立了他的耗散結(jié)構(gòu)理論，解決了這一難題。普利高京以他卓越的研究表明，開放系統(tǒng)在外界能量的驅(qū)動下有可能通過隨機(jī)漲落和非淺性相互作用而形成有序的耗散結(jié)構(gòu)——而在這一從混沌到有序的過程中，能量的耗散起到了決定性的作用。耗散結(jié)構(gòu)（Pissipative Structure）理論是1969年在《結(jié)構(gòu)、耗散和生命》論文中提出的。這個理論主要是針對非平衡熱力學(xué)和非平衡統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展而提出的一個科學(xué)假說。它的杰出貢獻(xiàn)在于把克勞修斯的熱力學(xué)第二定律與達(dá)爾文的進(jìn)化論相統(tǒng)一，證明了自然界乃至人類社會是一個和諧、有序的整體。在自然界中，廣泛存在著一種穩(wěn)定的時空有序結(jié)構(gòu)。它出現(xiàn)于多粒子、多層次、多組分的開放系統(tǒng)的遠(yuǎn)離平衡態(tài)，是由原來的混沌、無序結(jié)構(gòu)靠外界不斷供應(yīng)能量和物質(zhì)，通過量變到質(zhì)變的突變而形成的。這種結(jié)構(gòu)便稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”。自耗散結(jié)構(gòu)理論問世以來，引起了各學(xué)科理論工作者的廣泛注意，并應(yīng)用于研究化學(xué)、醫(yī)學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象等，已經(jīng)取得了許多突破性的進(jìn)展。但從根本上來說，耗散結(jié)構(gòu)理論只是對熵的研究歷程中的一個里程碑，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是盡頭。
新近在生命科學(xué)領(lǐng)域國內(nèi)又興起了一股研究信息熵[4-6]、近似熵[7-10]的熱潮；亦有多人將熵的概念應(yīng)用到中醫(yī)理論研究中[11]，，前景亦不容小視。
生命系統(tǒng)之所以能維持自身的有序，就是因?yàn)樗行玛惔x，有自由能的驅(qū)動。在勢力學(xué)上，與無序相對抗的自由能和信息都稱為負(fù)熵[3]，所以薛定諤曾經(jīng)說過“生命以負(fù)熵為生”——誰如果要是不相信薛定諤的這句話，那么他可以切斷對自己生命體的負(fù)熵流的供應(yīng)來體會一下，四天（象我一樣體質(zhì)差的用不了四天）不吃飯，就能體味到“生命以熵為生”的真理。
熵，一個生命的度量尺；熵，一把研究生命的利器；熵，開啟人們認(rèn)識生命之門的鑰匙。盡管作為一個藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生，這不在我的專業(yè)范圍之內(nèi)，但我將始終關(guān)注熵的研究，但愿人類從本質(zhì)上認(rèn)識熵、認(rèn)識生命的那天盡早到來。
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