熵與生命
學號：3031999027 姓名：張大磊
在整個《物理化學》課程的學習中，我感覺最難以理解的概念就是“熵”。爲了掌握這個概念，課下我查閱了許多參考書、學習資料和文獻，後來驚奇地發現：原來對於熵的研究已經不僅侷限於自然科學領域，人文科學中關於熵的研究亦進展得如火如荼。尤其在生命領域，熵更體現出它獨有的魅力和價值。下面我將運用在課堂上學到的有關知識、參照其他資料，對熵與生命之間的關係進行一次簡要的探討。儘管我花費的時間在同學中最多的（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不吝賜教。
熱力學第二定律的原理是：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際上包含着極豐富的科學意義。正如“法拉第第一定律”是宇宙間最爲精確的定律之一一樣，我個人認爲熱力學第二定律是宇宙間最爲深奧和永恆的規律之一。在一個熱機系統中，熱傳遞產生系統做功，系統熱效率越高，熱量轉換爲有用動能越多。但無論怎樣改進熱機，也永遠無法達到熱功之間的完全轉換，因爲在熱轉換中能量的耗散是我們無法避免的。爲了表述熱機系統熱量轉換爲有用功程度的大小，克勞修斯爲第二定律引入了一個新概念——“熵”。熵的原意是轉變，在數學上它是熱機系統狀態的函數，熵小意味着一個系統熱量轉變爲有用功的程度高，熵大則表示轉變程度低，這就區分出了有用的能量交換與不可逆地耗散掉的能量的關係。這個概念的提出從根本上促成了熱力學第二定律爲人們所意識到並接受。
熱力學第二定律的意義很快就超出其產生的領域[1]。通過熵的數學表述，人們認識到，在一個熱力學系統中，熵增指熱能量耗散增加，意味着熱能在做功中部分熱能向系統環境均勻化地耗散了，這個過程是不可逆的，因此熵只能是正或爲零。這樣，熵增就表示着熱力學系統內部一種不可逆的過程。這個結論使想完全控制自然（如製造永動機）的人在自然面前碰了個大釘子。但經過冷靜思考之後，人們開始意識到：系統的熵增實際也表示着系統的一種自發地進化，是“系統進化的指示器”，是系統的“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，更是令人大喫一驚：“宇宙的能量是常量；宇宙的熵趨於最大”，即所謂的“宇宙熱寂說”（也有人如物化趙教員般稱其爲“熱死說”，更加形象但翻譯不大貼切，以下統稱“熱寂說”）。
“熱寂說”雖有爭論，但現代宇宙大爆炸說已經證明，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恆中，通過熱力學語言，很不情願地發現了與我們人類的生命感覺相一致的、正如遠古哲人孔子所述的“逝者如斯夫”那樣的宇宙事實：時間並不是幻覺，而是物質有方向的變化過程；時間具有方向性，是不可逆的，無論是宇宙還是我們人類，只能從生到死，而不可倒逆；宇宙沒有永恆體，沒有上帝，我們人也不可能羽化成仙。熱力學毫不顧忌我們人類童年的那種幻想和價值意願，僅用“燃燒之火終將熄滅”這樣一個簡單的事實就打破了我們自以爲真實而實際只存在於文化符號中的諸如“天堂”、“理想國”等理念的永恆世界，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，悟到這一點後，我感覺自己成長了許多。
過程的終點雖然被認爲是熱寂與死亡，但由熱力學所開創的複雜性科學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”的時間祕密，開拓了建立人與自然一種新型關係的道路，使我們人類能正確認識自身在整個自然中的位置，從而有可能建構出一種促成人類與自然和平共處、共同發展的新的科學體系和價值體系。
第一、複雜性科學研究發現，生命組織和生命活力，無論是宇宙宏觀系統還是細胞的微觀系統中，都只能產生在系統遠離平衡態的對稱破缺時，而不是我們以往所理解應當產生在平衡態之中。
正如《時間之箭》作者彼得·柯文尼所說的“生機在遠離平衡態時萌動”。在非線性狀態，由於反饋形成的相關性，使得系統內部微小的變化就能激發大的振盪，從而促使結構突變而產生新的結構組織形態。如果這個系統是封閉的，在振盪和自組織變化過程中，由於熵增，系統將很快達到平衡，結構變化消失，趨於混沌。而如果系統是開放的，就可以通過與外界能量的交換，把增熵輸出到外部去，從而保持系統非平衡狀態中的自組織結構，保持生命和生命的活力。
第二，在遠離平衡態的系統中，“熵”而不再只是能量的耗散和浪費，而是具有偉大的創生和建設性作用的。
首先，在非平衡、對稱破缺的初始條件中，熵增暗示着系統的一種內在極化，是一種選擇性原則，使只有使系統做功並最終達到熱平衡的那種趨勢（即生命的趨勢）可以產生並演進。其次，演進過程中所產生的熵壘，阻止系統返回過去，使系統只能向前，演進是不可逆的。最後，由於熵增，系統內部個體的相對運動和相干性加強，從而增強了系統的生命活性。
第三、這樣，複雜性科學使人們醒悟，經典科學在認識自然時所以把“時間”定義成可逆的，正暗含着控制、操作自然的價值心態。
在這個文化背景中，熵增、隨機、不可逆、非線性的振盪就被看作是一種負價值的東西，不但是物理科學意義上的能量的耗散與浪費，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，大量的科學實驗表明，熵增、隨機、不可逆、非線性的振盪恰恰是“生命”、“自然”和“自然生機”這些現象最本質的原因。熵增意味着最終的混沌、無序、熱寂和死亡，然而同時也意味着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”，創造了大自然最神奇的“成長”和“自然演化”的機制，顯示着物質自身運動真正的“時間”，包含着整個宇宙生與死、從混沌到有序的全部祕密。熱力學開創的複雜性科學在本世紀得到了全面的發展，取得了一系列令人矚目的科學成果，大大拓展了人們的科學視野，爲建立人與自然一種新型關係，建立一種沒有“上帝”的新的價值觀提供了科學文化基礎。今天環境與生態科學的發展使我們知道，整個自然生態環境及其中物種間的關係遠比人類以往所知道的複雜得多。早期工業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。這使我們要重新認識自然，也就要重新思考人類自身。我們都在不斷地進行人生的定位思考，卻沒有給予整個人類、整個大自然足夠的重視。一種新的世界觀應該是：人類的科學和理性並不是要最終地控制自然，把自然作爲人類的奴隸，甚至愚蠢地提出“人定勝天”等口號，而應該尊重自然，理解自然，在與自然的平等對話、和諧相處中與自然共同發展，正如同中國古代儒、道達成的共識“天人合一”一樣。時間是一種建設，它正擔負着這種倫理責任。
既然主宰着宇宙中一切運動過程的至高無上的勢力學第二定律定律（就是也稱爲熵增定律）告訴我們宇宙中的能每時每刻都在不可逆轉地耗散着，任何孤立系統都會伴隨着能量的耗散而趨於無序、互解和熱寂。那麼爲什麼我們所見到的社會卻又在不斷的進化和趨於有序呢？一直到二十世紀六十年代，這個問題的答案才浮出水面：比利時自由大學布魯塞爾學派的領導人物理學家伊·普利高京（Iprigo－ginc）創立了他的耗散結構理論，解決了這一難題。普利高京以他卓越的研究表明，開放系統在外界能量的驅動下有可能通過隨機漲落和非淺性相互作用而形成有序的耗散結構——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。耗散結構（Pissipative Structure）理論是1969年在《結構、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和非平衡統計物理學的發展而提出的一個科學假說。它的傑出貢獻在於把克勞修斯的熱力學第二定律與達爾文的進化論相統一，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，廣泛存在着一種穩定的時空有序結構。它出現於多粒子、多層次、多組分的開放系統的遠離平衡態，是由原來的混沌、無序結構靠外界不斷供應能量和物質，通過量變到質變的突變而形成的。這種結構便稱之爲“耗散結構”。自耗散結構理論問世以來，引起了各學科理論工作者的廣泛注意，並應用於研究化學、醫學、社會學、經濟現象等，已經取得了許多突破性的進展。但從根本上來說，耗散結構理論只是對熵的研究歷程中的一個里程碑，遠遠不是盡頭。
新近在生命科學領域國內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用到中醫理論研究中[11]，，前景亦不容小視。
生命系統之所以能維持自身的有序，就是因爲它有新陳代謝，有自由能的驅動。在勢力學上，與無序相對抗的自由能和信息都稱爲負熵[3]，所以薛定諤曾經說過“生命以負熵爲生”——誰如果要是不相信薛定諤的這句話，那麼他可以切斷對自己生命體的負熵流的供應來體會一下，四天（象我一樣體質差的用不了四天）不喫飯，就能體味到“生命以熵爲生”的真理。
熵，一個生命的度量尺；熵，一把研究生命的利器；熵，開啓人們認識生命之門的鑰匙。儘管作爲一個藥學專業的學生，這不在我的專業範圍之內，但我將始終關注熵的研究，但願人類從本質上認識熵、認識生命的那天儘早到來。
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