科學誕生于哲學，它們都是人類探究世界的學科，科學走着走着，往往就會走回哲學。

——坤鵬論

一、熵，不是混亂，是混亂程度

熵，這個詞至今已經近166歲了。

但是，它似乎有着一種迷惑思維的魔力。

從它誕生到現在，能夠正确理解的人很少很少。

曾經有個著名的傳聞說，當年香農提出信息論，馮·諾伊曼建議他使用熵這個詞。

為什麼？

第一，沒有人懂這個詞的意思，顯得很高檔；

第二，他和别人争論時，可以無往不利。

這個傳聞雖然子虛烏有，但确實有其道理。

坤鵬論在看了大量關于熵的文章後也發現，把熵當成混亂，當成不可用能量的占了絕大多數。

包括我自己，起初犯了這樣的錯，現在不小心還是會犯這樣的錯。

這裡就再次溯本求源，起碼看過這篇文章的大家，不再犯錯。

1854年，當克勞修斯首次引入熵這個詞時，他需要為自己發現的某種量想個名稱。

這種量與能量有關， 但又不是能量本身。

我們已經知道，熱力學系統做功的能力，并不取決于熱量本身，而取決于冷熱之間的溫差。

我們把一塊熱石頭投入冷水就可以做功，比如産生的蒸氣可以推動渦輪機。

但是，由石頭和水組成的系統的總熱量維持不變。

并且，最終石頭和水會逐漸在同一溫度。

相反，無論一個孤立系統内含有多少能量，隻要系統内的所有物體的溫度都相同，它就無法對外做功，也就是達到了平衡态。

克勞修斯想度量的就是這種能量不可用（無法用于做功）的程度。

他創造出了熵（entropy）這個詞。

該詞源于希臘語的“轉換”，其德文同音字可以寫為Entropie，和德文的“能”Energie在字形上接近。

而“熵”的英文entropy與“能”的英文energy字形相近。

這樣，也可以很好地體現出“熵”與“能”這兩個量在物理重要性上有着密切關系。

注意，這個能是熱力學第一定律所說的内能U。

簡而言之：

熵不是能量的一種；

熵也不是能量的數量；

熵是克勞修斯所說的——能量的不可用程度。

後來，玻爾茲曼用統計力學對熵進行了诠釋，為物理學引入了概率。

通過從微觀态到宏觀态，我們知道了，可用的能量是有序的能量，不可用的能量是無序的能量。

熵，指的就是能量無序的程度，是系統内分子熱運動無序程度的一種量度。

再精确地說，熵就是分子随機熱運動不确定度的度量。

無序的同義詞是混亂。

混亂這個詞顯然比無序更容易讓人理解，且印象深刻。

于是，人們更喜歡用混亂。

所以，熵，

不是——不可用的能量；

不是——無序；

不是——混亂。

熵，

是——系統内能量不可用的程度；

是——系統内分子熱運動的無序程度；

是——系統内的混亂程度；

是——系統内混亂的概率。

熵增，

是——系統内能量不可用程度的增加；

是——系統内分子熱運動無序程度的增加；

是——系統内混亂程度的增加；

是——系統内混亂的概率的增加。

最後，坤鵬論再補充提醒一點：

一個過程中的熵由兩部分組成，一部分是由于摩擦與混合産生的熵，另一部分則是熱量轉換的熵。

但它們都代表着系統内能量不可用的程度、混亂程度。

二、生命賴負熵為生

昨天在《物理學神獸之拉普拉斯獸和薛定谔的貓》中我們認識了神獸薛定谔的貓。

也知道了諾貝爾物理學獎得主、量子力學奠基者埃爾溫 · 薛定谔，是一位特别善于思想實驗的科學家。

他除了薛定谔的貓，對于熵的理解，以及與生命的聯系，也非常恢宏。

1943年，他在都柏林三一學院的一系列公共講座中，試圖回答一個困擾人類很久的難解之謎：

生命是什麼？

盡管薛定谔是量子物理的先驅，是諾貝爾獎得主，但是，和其他諾貝爾獎得主一樣，他們在涉足其他領域時，也不得不犧牲一些嚴謹性，代之一些大膽推的測。

恰恰是這次講座中的大膽推測，居然奠定了一門新興學科的基礎，一門整合了遺傳學和生物化學的交叉學科——分子生物學。

後來，人們根據這次講座的内容整理出來了一本小書——《生命是什麼？》

這本書中并沒有發現什麼新東西，甚至也沒有提出什麼新東西。

但是，許多人認為，正是薛定谔的這本小冊子引發了一場生物學的革命。

同時它也使得熱力學定律突破了物理學，逐漸成為自然發展的普遍規律，特别是熱力學第二定律。

講座中，薛定谔先提出了”神秘的生物恒定性“，也就是生命體的結構表現出令人驚歎的恒定性。

這種恒定性不僅伴随着生命體的一生，還能通過遺傳代代相傳。

他認為，這是最需要解釋的現象。

接着，他又反問：”生命的特征是什麼？“”一個物體怎樣才可以說是活的？“

薛定谔沒有使用大衆化的答案，比如：會成長、會進食、會繁殖等。

他的答案是：”隻要它在不斷‘做些什麼’，比如：移動、與周圍環境進行物質交換，諸如此類，并且持續時間要大大長于我們預期無生命物體在類似情況下做這些活動的持續時間即可。“

這個答案總結成一句話就是——生命在于運動。

而這句話并非薛定谔的原創。

它源于十八世紀法國思想家伏爾泰（1694.11.21－1778.05.30），這句話是其體育哲學運動觀和生命觀的濃縮精華。

他認為，生命所進行的運動是高級的物質運動形式。

蛋白質是生命運動的主要物質基礎；

生命運動是蛋白質的固有屬性和重要的存在方式。

生命在于運動的内涵是：

生命的産生在于運動，運動是生命誕生的前提條件，沒有物質運動就不會有生命的産生；

生命的存在在于運動，運動也是生命存在的基礎，要維持生命體存在，也離不開物質運動；

生命的發展在于運動，運動又是生命發展的動力和源泉。可以說，沒有了運動，人就活不下去。

生命運動不僅包括植物、動物、微生物運動，還包括人類生命體運動；

對人體生命來說，不僅指機械運動，還包括物理運動、化學運動、社會運動和思維運動；

不僅包括宏觀的軀體運動，更包括微觀的細胞運動、分子運動等諸多運動形式。

所以說生命在于運動。

接着，薛定谔從熵變的觀點分析了生命有機體的生長與死亡，道出了不斷被後人傳播的一句話：

“一個生命有機體，在不斷地增加着它的熵——你或者可以說是在增加正熵——并趨于接近最大值的熵的危險狀态，那就是死亡。要擺脫死亡，就是說要活着，唯一的辦法就是從環境中不斷汲取負熵，我們馬上就會明白負熵是十分積極的東西，有機體就是賴負熵為生的。”

負熵是什麼？

前面提到了，熵代表着能量的不可用程度，進而代表了混亂程度。

那麼，負熵的正解自然應該是代表能量的可用程度，進而代表了有序程度。

顯然，将這個意思代入到這段話中，有點不太對頭。

而且，薛定谔在《生命是什麼？》的其他部分的表述也顯露出，他很可能也像很多人那樣錯誤地将熵定義為不可用的能量、混亂了。

坤鵬論再三斟酌，如果僅就這一段來說，其實我們隻要将負熵視為薛定谔創造的一個新詞，它與秩序同義，也就沒什麼問題了。

同時，在反複閱讀理解後，坤鵬論認為，在薛定谔的講座中，有着這樣的詞義等式：

負熵＝秩序＝有序的能量＝可用的能量

讓我們通過修訂薛定谔的這段話來驗證一下有沒有問題：

一個生命有機體，在不斷地增加着它的熵——你或者可以說是在增加正熵——并趨于接近最大值的熵的危險狀态，那就是死亡。要擺脫死亡，就是說要活着，唯一的辦法就是從環境中不斷汲取秩序，我們馬上就會明白秩序是十分積極的東西，有機體就是賴秩序為生的。

不錯吧？！

這樣下來，把熵按照能量的不可用程度、混亂程度代入進去，負熵改為有序的能量，也是全然沒有毛病的：

一個生命有機體，在不斷地增加着它的能量的不可用程度——你或者可以說是在增加能量的混亂程度——并趨于接近最大值的混亂程度的危險狀态，那就是死亡。要擺脫死亡，就是說要活着，唯一的辦法就是從環境中不斷汲取有序的能量，我們馬上就會明白有序的能量是十分積極的東西，有機體就是賴有序的能量為生的。

薛定谔這段話，換個角度也可以這樣講：

生命有機體死的關鍵是，它的能量不可用程度達到了最大值，就是達到了無序、混亂的極限值，能量的可用程度微乎其微，它整體處在了平衡态，不再發生變化，一團靜止，了無生氣，也就是克勞修斯的熱寂說。

生命有機體活的關鍵則為，因為能量的不可用程度會自發增加，這是不可逆的，隻有持續地從外部汲取有序、可用能量，才能抵抗熵增，實現熵減。

如果你跟着坤鵬論學習下來，到這裡，就會明白，這段話也像生命在于運動一樣，并不新鮮。

玻爾茲曼早就從更宏觀的角度給出了更精辟的解釋：

第一，如果沒有外部能量輸入，孤立系統趨向越來越混亂（熵越來越大）。

比如：如果房間無人打掃，不可能越來越幹淨（有序化），隻可能越來越亂（無序化）。

第二，如果想讓一個系統變得更有序，必須有外部能量的輸入，當然，前提是系統是開放的。

第三，當一個系統（或部分）變得更加有序，必然有另一個系統（或部分）變得更加無序，而且無序的增加程度将超過有序的增加程度。

對比一下我們就會發現，薛定谔不過是換到了生命體的角度來闡述這三個結論。

所以，請記住它們，并在閱讀下面的文字時以它們為總綱指導。

前面講過，宇宙這個孤立系統，它的熵在不斷增加。

但是，其中的生命體卻能夠短暫地違背熱力學第二定律，保持着低熵（低混亂程度）的狀态，甚至有點像永動機一樣運作，或至少看上去如此。

這就是為什麼說生命體”看上去如此神秘“的原因。

那麼，隻要解開生命體是怎麼做到這點的，也就破解了這個“如此神秘”。

薛定谔給出的答案是：不斷進食。

生物學上對這個過程有個專業詞彙——新陳代謝。

人們認為：生命的新陳代謝過程，目的就是和外界交換物質，并在這個過程中補充生命活動所消耗的能量。

對此，薛定谔提出了他的犀利疑問：

同一元素的不同原子之間并沒有什麼差别，生命個體内的一個碳原子和食物中的一個碳原子是一樣的，生物體内的一卡路裡能量和體外的一卡路裡能量也是等價的，并無高下之分。

那麼，單純的物質交換和能量獲取有什麼意義呢？

由此開始，薛定谔給出了他那令人心馳神往的答案。

生物作為宇宙的一部分，它自身的熵也有着不斷增加的自然趨勢。

生物的每次呼吸，每個動作，它們的效果都是熵增。

也正是熵增将生物體一步步帶向死亡。

為了維持生存，生命體必須設法持續從外界攝入可用能量，從而增加自身能量的可用程度，此消彼長，能量的不可用程度會減小——熵減。

同時，生命還要排放代謝廢物和廢熱，以這種方式将産生的不可用能量釋放回環境。

所以，新陳代謝的本質是，生命體使自己擺脫在其存活期内所必然産生的熵。

換言之，生命體從周圍環境中汲取負熵（秩序）。

生命以負熵（秩序）為食！

顯然，這就是前面三大結論中的第二點，必然靠外部能量輸入才能熵減。

但是，能夠從外部汲取能量的是系統是開放的。

從這個角度，讓我們一起審視我們所在的生态圈。

太陽，是一個熵極低的存在，它是地球最大的可用能量來源。

地球，實際是一個開放系統。

它接受陽光，吸引熱輻射，從太陽那裡獲得負熵（秩序）。

然後，又輻射出所吸引的一部分太陽的熱量——高熵的紅外線，散發到太空中去。

對于地球而言，這無異于構成了一個熵減的環境。

我們再從整個地球縮小到單個生物，比如：植物、動物，包括人類。

它們和我們，其實都是一個個開放體系。

正因為都是開放體系，才形成了地球之上的完美生态循環。

草食動物和肉食動物則通過進食，攝取包括植物、動物内的有機化合物。

有機化合物是生命的基礎，它的最大特點就是物質組織得井然有序，是絕對妥妥的有序能量。

動物消化吸收之後，再将其排出體外，這時物質的有序性已大大降低，但并未完全退化，因此它還能被植物和微生物利用。

與此同時，植物還從陽光裡吸收了能量以及負熵（秩序）。

從根本上講，所有的生物都是在靠着汲取負熵（秩序）來維持生存。

整個生物圈其實就是一個負熵（秩序）循環“傳遞”的過程。

而開放的個體在其中攝入食物、汲取熱量、消化，然後再排洩出去。

也就是，它們不僅與環境有能的交換，物質上也有交換（吸進、再排出）。

但是，這基本上是一個相對穩定的體系，所接受的和所輸出的，接近于相等。

所以，人類才能夠保持一定的溫度，與外界有一定溫度差，造成熵減小的體系。

事實上，一個使熵減少的體系，對于生物進化是至關重要的。

現代文明實際就是千方百計想出各種方法，在不違背自然規律的情況下，減少系統的熵，而不是使熵增加。

為什麼？

這是潛藏在最深處的本能——遠離平衡态。

因為，隻要活着，就維持着非平衡态，隻要想活着，就必須維持非平衡态。

這裡再提醒一句，這種遠離平衡的能力，隻有開放系統才有。

同時，萬物都有熵增的趨勢，熵減少并不能憑空産生。

因此，能量守恒定律之下，一個局部範圍熵的減少，必然以另一處的熵增為代價。

比如：生命通過進食維持自身的低熵狀态，就需要把自身産生的無用能量，以代謝廢物和廢熱的形式排放回所在環境中，這就增加所在環境的熵。

薛定谔認為：生命這種從合适環境中汲取負熵（秩序）的“天賦”，與其所具有的遺傳物質有着密切的關系。

雖然遺傳物質和宇宙中的其他物質一樣，隻是一團原子而已。

但這團原子本身具有極低的熵，最終可以通過複雜的物理和化學過程，生産出蛋白質等物質（複雜性科學中的湧現現象）。

這些物質構成了一個個細胞，并十分嚴格地控制着各項生命活動。

《生命是什麼？》一書出版時，DNA還沒有被人類發現。

薛定谔在書中從物理學角度分析了生物的遺傳變異等現象。

他發明了“非周期性晶體”這個術語作為遺産密碼的大膽設想。

次年，也就是1944年，阿弗利發現了細菌轉化現象，第一次直接證實了人們尋覓已久的控制生物遺傳的物質基因。

它就是脫氧核糖核酸（DNA），也就是細胞核内DNA是遺傳的物質基礎，遺傳信息就蘊藏在DNA的分子結構裡。

1953 年，克裡克和沃森共同發現了DNA雙螺旋結構，揭示了遺傳信息及其複制規律，叩開了分子生物學大門。

話說，在DNA之前，科學家認為生命是以LUCA存在的。

有人開玩笑地說，人就是一堆水、一堆蛋白質、一堆碳水化合物……本都是沒思想的物質。

這話真沒錯。

我們的始祖就是一種“蛋白質＋RNA（核糖核酸）”的聚合體，科學家将她命名為LUCA。

LUCA通過吸收能量來大量複制，但是問題來了，宇宙的熵總的來說是增加的，所以LUCA的熵減會導緻環境的急劇熵增。

環境惡化，LUCA無奈隻能進化，變得更高級以适應環境的變化，于是DNA聚合體誕生了。

DNA比RNA更穩定，也更加智能。

但是這樣一來，消耗的能量更大，吸收的物質更多，導緻環境的熵增比以往更大。

所以，DNA聚合體被逼着向單細胞演化。

同樣的結果，環境的熵增再次增加。

單細胞隻能繼續向更高級的多細胞進化。

寒武紀生命大爆發誕生了。

又因為孤立系統無法獲取足夠的能量，所以多細胞開始移動，并且産生了感知能力，比如視覺、嗅覺、聽覺等。

從此，生命走上了智能的進化之路。

這個過程被王東嶽稱為遞弱代償。

即生命的熵減過程，會加劇環境的熵增，于是環境會變得越來越惡劣。

生命為了生存，為了獲得足夠的能量和物質，必須變得更加智能……

本文由“坤鵬論”原創，轉載請保留本信息

請您關注本頭條号，坤鵬論自2016年初成立至今，創始人為封立鵬、滕大鵬，是包括今日頭條、雪球、搜狐、網易、新浪等多家著名網站或自媒體平台的特約專家或特約專欄作者，目前已累計發表原創文章與問答6000餘篇，文章傳播被轉載量超過800餘萬次，文章總閱讀量近20億。

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