怎么用物理学中的“熵”去解释生命的生和死？

Answer 1

何为“熵”？

熵，是一个有趣且意义深刻的抽象概念，很多物理学家都对它有不同的注解。

熵的概念最早源于热力学第二定律（second law of thermodynamics），是热量与温度的比值（ S= Q/T），其物理意义是对封闭体系整体混乱程度的度量。

热力学第二定律的表述

1850年，克劳修斯(T.Clausius) 表述为：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。1851年，开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。这两种表述的完全等价的。

1854年，克劳修斯首次提出entropie，1923年，我国物理学家胡刚复根据“热温商之意”把entropie译为“熵”。

有名的“熵增原理”：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小，表达公式为： S 0。

熵看似来源于热力学，但其本质其实体现的是统计学原理，描述得是一个封闭系统的整体混乱程度。

宇宙万物都可以看出大小不同的系统，所以熵的普适性极强。爱因斯坦也笃信没有人能推翻热力学第二定律，以及延展的熵增原理。

统计力学的诠释

一场统计力学革命，揭示了“熵”概念更微观表述。

路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）创立的统计力学起源于他的气体动理论。该理论将热力学行为解释为牛顿运动定律下微小粒子个体运动的总和结果。

那么给你一定规模的微小粒子观察量，它们会多少种组合方式？这决定于微观粒子的排列位置、速度等微观态，而温度、压力、体积这些热力学概念则是这些微粒子特定“排列组合”的宏观态表现。

而一种宏观态下，可能存在大量不同的微观态。

最核心的一点是：如果一个系统自行运行，它最终会尝试所有可能的微观态。所以一些有价值的微观态永远占少数，大多数情况下都是混乱的无用状态。

这一解释也能很好的对应热力学现象。一个系统内的热力学现象，主要由空间内的能量分布来决定。能量分布的情况决定了这个系统的热力学性质。当一个系统自动运行足够长时间，系统中的粒子和能量在所有可能不同形态的呈现中，绝大多数可能的能量分布会使系统非常接近一个宏观状态，就是热平衡状态。

基于以上的理解，玻尔兹曼将熵表述为： “熵”=体系的符合宏观态的微观态个数的对数 玻尔兹曼常数 ，即S=klnΩ（体系微观态Ω是大量质点的体系经统计规律而得到的热力学概率，玻尔兹曼常量k=1.3807x10-23J·K-1）。

总之，一种宏观态与微观态的对应方式，不是一对一，而是一对多。对宏观态的一些定义越宽泛，其对应的微观态也越多。比如“生”“死”的宏观定义，都包含了大量微观态数量，但总体来说，“死 ”的微观态数量远大于“生”。

生命以负熵为食

从统计学的角度来看，系统中能产生的微观态数量越少，熵值就越小；能产生的微观态数量越多，熵值就越大。而没有什么比系统的平衡状态，可包容的微观态数量更多的了，所以平衡态往往都是熵值最大。

一个生命体就可以看成一个系统，不过它不是封闭的，所以能从周围环境中吸取低熵的能量，一维持生命，但当个体衰老，身体机能下降，我们会越来越难以再吸收低熵的能量，难以维持人与环境的不平衡，不平衡才有生命的存在。一旦平衡意味着死亡，意味着回归自然。

那个虐猫的薛定谔还写过一本大名鼎鼎的科普书《生命是什么》。在书中，他就阐述了这样一个观点： 生命以负熵为食，有能力从环境中抽取序，以减少自身的混乱。

熵增原理，揭示了世界万物都会从有序化，走向无序化，在封闭系统内必定越来越混乱，这是死亡的天命本质。

要成为生命，就必须具备抵抗这种无序化进程的能力。也就是说，世界上每一个生命体，实际上都是在与无序抗争。逆天改命，并不只是魔童哪吒的命。在熵增的宇宙中，身而为人，就是要行逆天改命之事。

熵是热力学中的一个统计概念，其意味着粒子系统的变化总是朝着路径最多的状态发展。例如，当瓶中的香水挥发成香气时，这些芳香气体分子倾向于跑到瓶外。因为，随机运动的气体分子，在瓶外的路径远多于留在瓶中的路径。毕竟，瓶子的体积远小于房间的大小。所以，熵是可能性的对数。熵增原则，就是事物的演变，总是朝着可能性大的方向发展。

于是，在自然界中的所有事物，都可以被划分为两大类。其一是平衡的状态，其熵已经达到了最大值；其二是非平衡的状态，其熵值较小。因此，第一种状态表现为动态平衡，在宏观上没有变化；而第二种状态则表现为，事物会朝着平衡的状态演化。

对此，你会问，不平衡的状态是如何产生的？否则的话，久而久之，不就达到平衡，成为热寂的状态了吗？答案是，自然界的变化存在着质变，是有层次的，因而其变化的发展总是不平衡的。

比如，宇宙大爆炸时，其内部只有单一的最小粒子——量子，处于等离子状态，就内部而言达到了熵的最大化。然而，宇宙是一个相对独立的封闭系统，其内外部量子空间的能量密度（压强）并不相同。由于宇宙的被压缩，其处于熵减的状态。于是，该状态导致了宇宙的极速膨胀。此时，宇宙的膨胀速度远大于其内部空间的传播速度，在宇宙的内部出现了熵减的过程，随着宇宙的膨胀会变得越来越不平衡。

这实际上就是将宇宙外部的不平衡部分地转移到了其内部的不平衡，从而在整体上实现了熵的增大。于是，在宇宙的内部，出现了局部远离平衡态的情况，从而产生了耗散结构，即形成了量子的封闭体系。这就是能量转化为质量的过程。其本质，是将宇宙内部的熵减，转化为局部的熵减即产生了物质。

因此，物质的存在违背了熵增原则，是不稳定的。当宇宙的膨胀速度小于其内部的传播速度时，宇宙内部的量子空间就会服从熵增原则，逐渐地达到平衡。于是，作为熵减的物质开始逐步解体，由封闭的量子还原为离散的量子。这就是质量转化为能量的过程。所以，物质是宇宙的能量缓释器，其起到了平衡的作用，是宇宙极速膨胀的副产品。

对此，也许你会提出疑问，为什么现在依然存在着大量的物质，而且有些物质还会进一步地生长壮大？这是因为，维持耗散结构的条件是需要不断地补充能量，以弥补其能量的流失。对于生物而言，就是需要新陈代谢，不断地吃食物。食物的本质是负熵，以食物的熵增来换取生物的熵减。

于是，对于生物而言，其生命的意义就在于不断地吃负熵以维持其耗散结构的存在。而死亡则意味着该生物无法补充能量，从而导致其耗散结构解体，由质量还原为能量，其自身实现了熵的增大。

总之，根据熵增原则，事物的变化总是朝着概率最大化的平衡方向发展。生物的诞生与成长，其本身是一个熵减过程，需要由其他物质的熵增来予以补偿。一旦这一补偿机制被终止了，该生物就走向了死亡，从而逐渐地解体，与外部环境达到平衡的状态。

熵是指代一个系统的无序程度。要用熵的观念来解释生与死，就是要理解生与死各自的边界。

每个生命个体都是一个具备了一定程度的独立性的系统，一定程度的独立性就是指在有限指标范围的环境条件下可以存续下去。而当环境参数超出这个有限范围时，生命系统就会失去他的稳定状态，相应的生命系统的存续就会受到极大威胁，直至系统崩溃，也就是生命活动的停止。

每个生命系统通常又是由若干功能系统组成，每个功能系统又是由若干功能各异的器官组成，每个器官又是由许多相似的细胞组成，每个细胞又由功能各异的细胞器组成。细胞就到是最小的生命单位了，因为在一定条件下一个细胞可以独立存续下去。在一个生命个体中，一个两个少数细胞的死亡、衰老或者流失都不会造成该个体的完全崩溃，直至到一定比例数量的细胞死亡、衰老或流失造成存续条件的边界被突破就会造成该个体的生命功能无法维持进而完全崩溃。细胞的死亡、衰老或流失就是熵增，熵增是持续不断在发生的，我们为了抵御熵增就需要及时从环境中摄取负熵（有序能量）以补偿熵增所引起的空缺。这个过程中的补偿行为都无法完全使系统等同于原来的样子，完全随着时间的推移，补偿次数增加，偏差累积，系统的协作性减弱，也即无序性增加，达到一定程度时该个体就完全无法维持也就崩溃了。