生物体是高度有序的,典型特征就是结构精妙,它们通过摄入和消耗能量,生长繁殖。我们从能量的本质考虑,才能更好理解生命的意义,能量流可以增加有序。 运动,能量和熵 从物理角度来考虑生物体的有序性,我们要先了解一些物理知识。 首先是 热力学第一定律 ,即能量既不能产生也不能消灭,但能量可以在不同形式之间转化。最常见的能量形式是动能和势能,把一个铁球从高空中放下,自由落体,势能就会转变成动能。 能量守恒与转化 通过做功和传递热量,也可以把能量从一种形式转换成另一种形式。在机械运动中,摩擦等效应会使机械能耗尽而转变成热能释放出来, 摩擦不是能量损失,它只是能量转化一个过程。如果把产生的热能计算在内的话,总能量则保持守恒。 热是机械能的一种特殊形式,它是组成物体的分子的动能之和 。不管是机械能还是动能,电能或者太阳能,最终总是有部分会转化成热能。而热能,是分子随机和无序性运动的结果。 增加有序性要付出的代价就是要有一些有序能量降级为热能。 熵增的世界 对于一个孤立的系统来讲,总是趋向于无组织或混乱的一团,这种混乱度在物理学上用 熵 来表示。熵代表着系统的随机性和无序性,混乱度越高熵就越高,也就是 熵增 。 自然界也总是朝着熵增无序的方向发展,简单来说,我们如果不打扫房间的话,它就会变得越来越乱。要减少它的熵增,外界必须对它做功,对于混乱的房间,那就是我们必须去打扫卫生。 被墨汁染黑的清水 当我们把一滴墨汁滴入一杯清水以后,整杯水都会被染黑,但我们从来没有见过,这一杯墨水能够自发地再分离成墨汁和水。也就是说对于一个孤立系统来讲,它的无序性是不可能自发降低的,这也就是 热力学第二定律 。 热力学第二定律是残酷的,它意味着 万物都会走向衰退 。即使宏大如我们身处的宇宙,如果作为一个孤立系统考虑,早晚也会达到热平衡,宇宙中到处都是冰冷和黑暗,最终走向热寂的可怕结局。 如果我们把组成生物体的碳、氢还有其他的一些元素混合起来,放在一个烧杯里,维持上一段时间,它们永远也不可能自发产生生物体。即使是最简单的病毒,是介于生物与非生物体之间,它也有着精致的结构。生物体的产生,粗看起来与物理上熵增原理是矛盾的。 冠状病毒的结构示意图 事实上,地球上出现了大量形式丰富的生命,那么问题就来了,难道生物体不受热力学定律的约束? 宇宙中当然不可能存在两套物理规律,牛顿的万有引力定律拿到仙女座等任一外星系照样