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熵增与宇宙生命 文：王晋康 一位科学家说，科学的探索可以分为“合理的假设”和“轻狂的猜想”，而本文的内容比“轻狂的猜想”还要更狂一些。读者阅读时全当是做一次智力体操，不可当成真的科学假说。先打一个预防针，下面开始正题。 罗素说，有史以来，科学所做的最可怕最阴郁的预言，就是热力学第二定律（熵增定律）所预言的宇宙末日。宇宙在不可违抗地走向热平衡，走向无序，走向寂灭，人类所创造的辉煌业绩注定要在大死亡中归于灭绝，人类成就的整座殿堂将不可避免地被埋葬在宇宙的碎片之下。这个理论是如此无可争辩，以至于没有哪一种反对它的哲学可望站住脚。 这个可怕的定律实际得之于最普通的物理现象：任何比环境温度高的物体，都会把热量向低温环境散发，直到系统内温度平衡。如果没有外界能流的引入，绝不会出现热量重新富集的反向过程。所以，所有的恒星终将熄灭，宇宙中不再有能量的流动，因而不可避免地走向无序（信息流与能量流密不可分，这其实是电脑发热的最本质的解释）。 从上中学物理课时我就领悟到了熵增的威力。它太雄辩太明晰了，任谁也无法用逻辑来推翻它的可怕预言。不过，这个定律总是给人一种不舒服的感觉。因为，除它之外的所有物理学定律都能在时间轴上反演，物理学家艾米诺特尔曾指出，能量之所以守恒，其实质原因就是因为物理定律关于时间对称。但熵增不可逆定律在时间对称性上撕了一个很大的缺口。尤其令人不安的是，把熵增定律应用于我们这个至今存在的宇宙，就必然得出一个结论：它是从一个很特殊的、高度负熵的状态下开始的。这个特殊的负熵状态从哪儿来？只有一个说得通的来源：上帝。 物理学家们当然不愿让上帝复辟。但他们都信仰真理的普适性，如果不得不承认我们的世界来源于一个非常特殊非常偶然的状态，那和相信上帝有什么不同呢？ 后来我从一些课外读物上知道了自组织定律，那时的中学物理不讲它的，我至今不明白，如此重要的定律为什么竟然上不了中学课本。自组织的一个典型例证是别洛索夫扎鲍京斯基反应，几种化学溶液掺混之后就会自动产生非常美丽的、周期性变化的花纹（但必须保持溶液的倾倒）。从酒瓶里往外倒啤酒时的咕嘟声也是一种自组织现象。这些小杂耍似的发现之所以重要，是因为这些“组织化”完全是由内部原因产生，并没有一个外来的设计者或管理者。 以上只是自组织现象的很小的范例，其实，这种现象渗透到宇宙的每一个角落每一个时刻，自组织定律是与熵增定律同等重要的两大定律之一，一个管宇宙的死，一个管宇宙的生。 从宇宙肇始，自组织就登台了。宇宙爆炸，变成一锅高温的均匀的粒子汤。我们不知道在大爆炸“最早的瞬间”所产生的“最原始的粒子”是什么，或者说，根本不存在什么最基本的粒子，在能量向粒子转换的边界，可能是能量和物质的共存，是一种模糊状态。但为了叙述方便起见，我们就称它为“原始粒子”吧。原始粒子非常均匀，按照熵增定律，它应该在宇宙向外膨胀是变得稀薄而更加均匀，绝不会产生物质富集的现象。但是，当熵增开始耀武扬威时，宇宙大舞台上的又一个主角力同时出场了。我们已经知道宇宙中有四种力：强力，弱力，电磁力和引力，比较公认的说法是，四种力其实只是一种，在大爆炸的极端状态它们会合而为一，在更深的层面应该表现为其它力。不过力的具体组成与本文中的观点并无关系，反正有力就行了。力使原始粒子互相结合，经过尚未知晓的某种粒子层面，再结合成六种夸克，再结合成轻子强子介子，再结合为丰度为3：1的氢氦原子。在这些过程中，强力、弱力和电磁力都起了作用，但引力尚未走上前台。 物理学家已经能用公式精确地描述这些粒子的生成过程，但好像没见到谁指出，它们实际是熵增的逆过程。因为，按照爱因斯坦的质能公式，任何物质微粒的形成都是能量的富集和组织化，与“热平衡”和“无序”相逆。也就是说，在宇宙大爆炸的最初的“滴答”内，熵增和熵减就已经开始同时存在、并行不悖了。 在宇观层面，轮上引力出场了。若按照熵增定律，早期宇宙中的氢氦原子只会日渐混合均匀，并在膨胀过程中变得稀薄，而不会出现质量富集的趋势。但引力却与熵增定律唱对台戏，当原子汤因量子效应出现偶然的涨落时，引力会使其产生雪崩效应，进而聚集成星云，星云中产生星体，星体生长，直到引发核反应，于是，在局部地区的“高能态”产生了，并造就了此区域的能量流(这些能量实际来源于微观层面的能量富集化)。请注意，从宇观上说，宇宙仍保持熵增的方向，宇观的熵增与小区域的熵减并行不悖。 星系小系统内也同样有熵增过程，恒星的热量向空间传播，向热平衡的方向前进；但在另外的层面，熵减过程也在不停息地进行。行星从星云中诞生，行星上产生了岩石圈、大气、河流、季风、泉水、矿藏，这些都是组织化的过程，是对无序的反抗。这种有序化、组织化进程的顶峰，便是生命的产生：dna团块、单细胞生物、多细胞生物、植物和动物，一直到最精巧的组织化结构人类。像熵增一样，自组织也是一个无尽的不可违抗的过程，它从宇宙爆炸开始，并一直延续到宇宙末日。而它得以进行的因素是力。不同的力在不同的层面上起作用，比如，原始粒子的生成是强力和弱力的功劳；在我们处身其中的环境里是电磁力在变戏法，它造就了生命结构和金木水火土；而在宇观范围内是引力在起作用，它造就了星体和黑洞。天行者卢克的老师尤达大师曾把“力”作为对抗黑暗的唯一力量，他真是一个伟大的科学家，道出了大自然的本质。 其实，“自组织”有一个更恰当的名称：生命化。这儿的“生命”一词是广义的。宇宙大爆炸的浓汤里生出来无数一模一样的粒子（夸克、重子、轻子等），然后是原子“自发的复制”，再生出模样相同的星云和星体；云朵中生出一模一样的六角形的雪花；在金伯利岩脉中生出结构相同的钻石这些全都是自然界的“生育”啊。有人说，生物生命何等精巧何等神秘，现在把“生命化”拿来定义夸克、强子、原子、星体等“非生命体”的生成，未免不伦不类。不，这个定义的推广绝不牵强，它们的本质是一致的。生物生命从何而来？首先是原始海洋中的各种原子因电磁力的作用而发生自组织，生成有机物，有机物的自组织又生成第一个能自我复制的dna或rna即使今天生物的繁衍，比如dna双股的分解和复制，从物理层面上说仍是在电磁力作用下的自组织过程。 当然，生物与非生物还是有分别的，生物生命是高等的自组织，需要一个复杂的模板，而这种模板来之于自然界长期演化中一个难得的机缘。所以我们可以相当武断地肯定，人马座的外星人与我们绝不会相同，因为由“机缘”得出的生物模板不可能雷同；而人马座的雪花却必然是同样的六角，因为雪花的“生育”不需要特殊的模板。还有一点不同是，生物生命中的自组织只和电磁力有关，而粒子、星体等的自组织与强力、弱力、电磁力和引力有关。 不管怎么说，它们的本质是一样的，都是与熵增相逆的、由“力”引发的自组织。宇宙的生命化贯串宇宙的始终，而我们平常所说的“生命”只不过是宇宙生命的一根分枝一个阶段罢了。 自打宇宙肇始，熵增和生命化两个相逆的过程就同时存在，并行不悖，互相缠绕，多层渗透。一边是热平衡、均匀化、无序；一边是能量和质量富集、组织化或有序化。而两者的综合则是一个零熵的世界。 这么一来，物理学家也可以安心了。原来，我们的宇宙并不是肇始于一个很特殊的负熵状态，而是非常普通的一个零熵的“点”。由于量子世界的偶然涨落，这个点爆炸了，从空无一物中产生了能量和负能量，正物质与反物质，有序与无序，熵增与生命化。宇宙是从零熵开始，以零熵延续，也将以零熵结束。在这种理论结构中，所有物理定律相对于时间轴都是可以反演的，物理学家的心腹之患，那个不可逆的时间之箭，在这儿被轻松化解了。 不过，这会儿说出这个结论未免早了一点儿我们还没考虑宇宙的结局呢。自打宇宙爆炸假说得到基本证实（最主要的证据是星系红移和宇宙背景幅射温度），宇宙有灭亡也就没人怀疑了，有生就有死，有死就有生，尽管对它是亡于无限的膨胀还是亡于向内塌缩还在争论。那么，在宇宙灭亡的时刻，熵增与生命化两种力量又是如何角力呢。 我们先考虑那种向内塌缩的结局，整个宇宙将塌缩成一个超级黑洞，一个死亡之洞。黑洞是个绝顶贪婪的家伙，吃骨头不吐渣，所有进入黑洞的物质都再无出头之日。黑洞无毛，黑洞是绝对的高熵（熵值与黑洞表面积成正比）。“熵增”在这儿达到了极致。那么，在这个大过程中，哪是逆向而行的宇宙生命化？原来它也并存在这个死亡之洞里。恰恰在这里，宇宙的质量（能量）富集化、或曰组织化过程也达到了极致，因而为下一次大爆发作好了准备。黑洞是宇宙的终结，但也是生命化的巅峰。有人可能认为这个说法太拗口，黑洞也是宇宙生命化的一部分？对，是的。它是由引力所造成的极端的自组织，也是与熵增过程背道而驰的。 关于黑洞的未来尚无定论，也许它会逐渐蒸发，通过量子效应把能量还给环境，最终变回一个普通的“空间点”；也许它会通过蛀洞与其它宇宙相连，在那儿表现为一个白洞；也许它会在塌缩的某一时刻反弹，产生大爆炸（关于大爆炸的前景毕竟有一个现成的实证我们的宇宙就肯定产生于大爆炸）。不管是哪种结局，反正它所在的宇宙会保持一个总体的零熵状态。 不过科学家们说，宇宙不一定亡于向内塌缩，更可能亡于“无限膨胀”。“零熵”机制并不排除这种可能，只是要求：在建造“宇宙无限膨胀”的构架时，必须仍有熵增和生命化两个相逆的过程，让熵的总和继续为零，否则这个理论就是错的。这就像是把宇宙看成一个多级齿轮箱，我们可以进行力的计算，一步步算出其输出扭矩和速度；也可以根本不管其内部结构，单用能量守恒定律就能验算其输出值是否正确。 目光敏锐的读者会发现，在本文中虽然讲述了“熵增”和“生命化”两个相逆的过程，但并未做量化的论述，怎么就贸然得出“熵的总和为零”这个结论？这个质疑很对。笔者是个科幻作家而不是科学家，科幻作家可以天马行空，凭着直觉，省去中间过程而直接得出结论。至于这个结论是否正确，交给有兴趣的科学家去论证好了。造物主似乎偏爱守恒，有能量守恒，质量守恒，动量守恒，动量矩守恒，正负电荷守恒，cpt守恒，如此等等。过去的理论中，只有熵不守恒，正反物质不守恒和宇称不守恒。现在，咱们试着让其中一个浪子改邪归正了，这比较符合人们的直觉，符合人们的感情。至于其它两个浪子能否回头，且拭目以待吧（已经有科学家怀疑，在更深的层面里宇称是守恒的）。 正篇结束了，再说点题外话。我对中国的太极图非常欣赏，非常信服，我觉得它简直是宇宙的河图洛书。一个简单的“零边界”的黑白两体图形包含了极为丰富的思想：守恒、转化、对立统一，等等。如果某一天“零熵”的大厦得以建成，我会把太极图拿去钉在大厦门楣上作为徽章。韩国人太精了，怎么就想到把咱们的太极八卦拿去做国旗图案？这可是东方哲学的精髓呀。简直是对中国商标的“恶意抢注”嘛，我真希望有一天咱们去讨回公道。 再说一句题外话：“宇宙生命化过程将贯串宇宙的始终”这个观点并不意味着人类文明可以永生，那是不同层面的东西。很对不起，我让偏爱乐观主义的人失望了我们周围的一切都在不停地变化，春去秋来，花开花落；我们人类也在不停地变化，从牙牙学语到满头银发；人类居于自然，属于自然。一个人如果热爱大自然，他会认真仔细观察他能见到的一切自然现象，而每一种自然变化都有着其自身的规律性。我们知道，人的衰老、树木枯萎、房子倒塌、原油消耗、土地风化等都包含着自然过程的方向性规律，或者说是沿着某一方向进行的。在物理学上，我们把这一类的变化过程称为自然过程的不可逆性。严格地说，一切自然过程都是不可逆的。现在，我们需要探知的是，这些不可逆的自然过程，是按怎样的变化方向进行的？ 一 熵及熵增原理 一滴墨水可以染黑一盆清水；一缕花香可以溢满居室，这类自然现象我们叫扩散。实验证明，一切的扩散过程总是从高浓度区域向低浓度进行的。扩散的过程也是自然的，不可逆的。如果我们把高浓度和低浓度区域看成一个封闭的系统，那么系统内的变化就是从高低有序到平衡无序的变化。我们再来看一下热传递的方向性。高温物体a和低温物体b的接触，我们会发现，在自然的情况下热量总是从高温物体向低温物体传递的，其结果就是a物体的温度降低和b物体的温度升高，最终是a、b同温，即热平衡。如上，我们也可以把a、b看成是一个系统，那么热传递的方向就是：从温度的高低有序到热平衡无序的变化。 事实上，一切自然过程都是按从有序向无序方向进行的。一百多年前的物理学家，经过大量的实验研究，总结出热力学第二定律，也就是熵增原理，指明了一切自然过程的方向性。熵增原理最经典的表述是：“绝热系统的熵永不减少”，近代人们又把这个表述推广为“在孤立系统内，任何变化不可能导致熵的减少”。所说的熵是一个描述系统状态的重要物理量，简单地说熵就是系统内混乱和无序的度量。熵值越大，混乱无序的程度越大。其实是克劳修斯首次从宏观角度提出熵概念（sq/t），而后波尔兹曼又从微观角度提出熵概念（sklnw），当然两者是相通的。孤立系统指的是系统和外界没有物质和能量的交换。 熵增原理的提出引起了世界的震惊。熵不仅用于物理学，而且适用于其他自然科学，甚至于在社会科学中也被广泛地使用。美国颇有声望的著作家、社会活动家里夫金所撰写的一部引起西方学术界普遍震惊的著作熵，一种新的世界观，作者在书中阐明了一种新的社会历史观。宣称：随着全球性能源危机的临近，现在盛行的牛顿的机械论世界观行将消亡。取而代之的是熵的定律，即热力学第二定律。作者给予了这个定律以哲学的意义，认为作为自然界最高定律的熵定律，其作用在社会历史中也无所不在。多年来的实验研究，确实证明了熵增原理的正确性。比如在自然科学领域，化学反应是按熵增的方向进行的；在生命科学领域，动植物的生命发展是按熵增方向进行的；在社会科学领域，人类社会的发展进步是按熵增方向进行的。 二 生命与熵 生命过程则毫无例外地是向着熵增加的方向变化的，每一个生命个体最终都将走向衰老、死亡，再被自然所降解，从有序到无序，这与熵增原理是一致的。但个体的生命过程还存在发育、分化、成长的阶段，生命系统也是由简单到复杂、由低等向高等进化的，生物机体内部总是维持着高度的结构有序，体内的各种生化反应都定时、定位、定量地发生，受到严格的控制。如何解释生命这种现象？它是不是与熵增原理相矛盾？ 热力学第二定律还揭示了：局部的有序是可能的，但必须以其他地方的更大无序为代价。人生存，就要能量、要食物，这些都要以动植物的死亡（熵增）为代价。实际上生命系统是一个开放系统，其熵变可以分为两部分：熵产生与熵交换。熵产生是由于系统中不可逆过程引起的，总为正值；熵交换是系统与环境之间由于物质和能量的交换而引起的，可为正、为负或为零。两者之和决定了系统的总熵变。熵是物质的一种属性，可将物质区分为高熵和低熵物质。生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵、排出高熵物质的过程。动物体摄取的多糖、蛋白其分子结构的排列是非常有规则的，是严格有序的低熵物质，而其排泄物（二氧化碳、尿、汗等）却是相对无序的，这样就引进了负熵流，系统的熵将减少。当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老。疾病可以看作是生命体短期和局部的熵增加，从而引起正常生理功能的失调和无序，治疗则是通过各种外部力量（药物、手术、饮食、保健等）干预机体，促进吸纳低熵、排出高熵。 三 熵增与宇宙热寂 克劳修斯于1865年将热力学第二定律推广到宇宙，得出宇宙熵趋于极大值，并于1867年正式提出热寂说，认为：“在一切自然现象中，熵的总值永远只能增加而不能减少。于是到处不断进行的变化过程，由此可以认为：宇宙的熵趋于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”这就是热寂说。 “热寂说”是哲学上长期争论不休的一个问题，也是物理学上无法直接验证的问题。我们需要思考的是：从物理学研究总结的个体经验是否可以无边的推广到宇宙。其实热力学第二定律并非普适定律，它只适用于具有两个前提条件的系统：一是：系统必须是孤立的，与外界没有物质和能量的交换；二是：系统必须“从一个有序的状态启始”（时间简史续编，霍金著，第163页）。因为按照热力学第二定律的论断，系统一旦热平衡，就熵寂了，不再有任何活动。这两个前提条件都必需一应具备，缺少其中的任何一个，热力学第二定律都不适用。宇宙是否兼具这两个前提条件？首先，人们必须确定宇宙是否是一个孤立系统，即使宇宙是孤立的系统，它也可能不符合热力学第二定律所设定的必备的第二个前提源于有序。因为宇宙的起源可能就是热平衡态。就人类目前研究来看，这两点都是无法确定的。也就是说，宇宙的将来是否热寂，现在没有定论，只有争论。如果按照现在比较流行的大爆炸理论，也许“热寂”只是宇宙轮回过程中的一个“节点”。 大爆炸理论认为：早期的宇宙充满了同源同性的物质，其温度、压强、能量都极高。随着膨胀和冷却，宇宙物质经历了相变，相转变引起宇宙产生指数级增长，称为暴胀。之后暴胀停止，此时宇宙的物质形式是夸克胶子等离子体，这些物质的运动都符合相对论。宇宙继续在空间上膨胀，温度继续下降。在某一温度下，一种至今未知的所谓重子相变的相变产生，夸克和胶子组成重子，就是质子和中子。随着温度进一步降低，更多无对称的相变发生，形成了现在的基本粒子和基本相互作用。之后，一些质子和中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。最终，形成现在这样的宇宙。现在的宇宙并没有停止发展，宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩，在收缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态一个致密致热的小球。而宇宙的温度会趋近于绝对零度。黑洞被气化，宇宙的熵会增加到极点，再也不会有组织的能量形式产生，这叫做热寂说。接着就是宇宙开始新的一轮轮回。四 信息熵 对于扩散运动，按照熵增原理，其结果就是达到平衡。而当想逆行时，就必须施加外界的影响。麦克斯韦设想，用隔板隔开的两个盒子内盛有相同温度的气体，隔板上开一小孔，小孔上装一扇可以自由开合且无摩擦的小门，小精灵把门。它只允许快速的分子从左盒进入右盒；只允许低速运动的分子从右盒进入左盒。因此，如果存在这种小精灵，就能使分子动能高的分子从左盒转移到右盒，形成左右温差，建立秩序，实现熵的自发减少，从而似乎推翻了热力学第二定律。这就是著名的麦克斯韦妖。我们假想一下，用人来代替这些进行交换的分子，扩散运动是可以从无序到有序的。那么人和那些分子到底有什么本质的区别呢？其实人就是一个高度有序的生命体，这种生命体和外界的交换不仅仅是物质和能量上的交换，还有信息上的交换。为此，著名的信息学理论的创始人香农提出了信息熵的观念。 信息熵是用于度量信息量的一个概念。一个系统越是有序，信息熵就越低；反之，一个系统越是混乱，信息熵就越高。所以，信息熵也可以说是系统有序化程度的一个度量。信息的运用等于熵的减少。麦克斯韦妖正是利用信息来判断区别分子的。而人类对于信息的运用，不会比妖差多少，其实还有许多动植物都有信息的利用能力。所以系统的熵变（ds）应该包含物质能量交换引起的熵变（ds1）和信息交换引起的熵变（ds2）以及系统体内自发熵变（ds3）。 （ds）（ds1）（ds2）（ds3） 对于一个孤立系统，系统的熵是不会减少的；但是对于一个开放系统，系统可通过和外界进行物质、能量、信息的交换来减少系统的熵。生命系统在成长过程中正是和外界的交换来减少系统的熵，从而使生命体完成从简单到复杂、从低级到高级的进化。也正是因为信息熵的存在，才显示出生命体和无机物的