9，熵增原理（热寂说，大爆炸理论）与”负熵“的生命现象。 热力学第二定律“熵增原理”是一条和热力学第一定律同等重要甚至更重要的定律，第一定律指出了能量不能被创造只能转换或转化，第二定律则指出了能量转换和转化的方向。“熵增原理”有数种表述方法，克劳斯修将其表述为“不能将热量从低温物体传到高温物体而不引起任何变化”；开尔文勋爵将其表述为“不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响”。“熵”概念是克劳修斯创造的（S=Q/T），熵是一个描述系统“混乱程度”的物理量，因为熵本身是以“数学商”的形式定义的，所以汉语为这个热力学概念创造了“熵”这个字。通行的标准表述为：“在孤立体系中，实际发生的过程总使系统的熵值增加”（ △ S ≥ 0），所以这个定律被叫做“熵增原理”。由于熵是一个描述混乱程度的物理量也可以这么表述：“在孤立体系中，一切实际过程总向着增加体系混路程度的方向发生”。大家在例如《物理化学》这门课上一定都学习过相关内容。“熵增原理”从统计物理学归纳而来，却在经济学，社会学，哲学等领域被广泛讨论。特别是20世纪，信息学的发展仿照物理热力学三定律，建立了“信息学三定律”即“信息守恒定律”同时引入了“信息熵”概念。特别是1944年量子论创始人之一薛定谔出版了一本影响深远的著作《生命是什么》，书中薛定谔带领人们以全新的角度看待生命，阐述了生命的“负熵”现象。薛定谔此书影响十分深远，后来在1962年因发现DNA双螺旋结构而获得诺贝尔奖的沃森和克里克就是受此书启发，离开物理学转投生物学怀抱的。有关生命“负熵”问题将在本文后半部分结束。我们先来看看为热力学第二定律发展做出突出贡献的克劳修斯在将热力学第二定律推广到宇宙学之后得出了什么结论。 克劳修斯热寂说 1867年克劳修斯曾表述这样的思想“宇宙的能永远守恒，宇宙的熵永远增大“，“宇宙的熵处于极大，进一步变化的能力就越小，如果最后达到极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这个宇宙将进入一个死寂的，永恒的状态”克劳修斯的表述便是“热寂说”的最初由来。“热寂说”一经出炉就受到广泛的批评和反对。第一个站出来反对“热寂说”的是电磁学和经典物理学最后一个集大成者麦克斯韦。麦克斯韦假想了一个叫做”麦克斯韦妖怪“的东西，一个拥有智商的小妖怪会自主追踪每一个分子运动，自动辨别分子运动速度，可以自动制造”不均衡“防止”热寂“出现。但是，在实验中引入”小妖怪“是无法从根本上推翻”热寂说“的。麦克斯韦继而认为热力学第二定律是从宏观上统计物理学里归纳而来的，应该对其应用范围加以限制而不应该随便推广。麦克斯韦没有拿出令人信服的证据推翻”热寂说“。第二个站出来的是统计物理学家玻尔兹曼的”涨落说“。尔兹曼在对气体分子运动的研究中，最先对熵增加进行了统计解释。按照这种解释，热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”现象，这种涨落现象并不遵从热力学第二定律。由此，波尔兹曼将气体分子运动论的观点推广到宇宙中，认为整个宇宙可以看成类似在气体状态的分子集团，围绕着整个宇宙的平衡状态则存在着巨大的“涨落”。波尔兹曼的“涨落说”曾广泛流传，许多人都把它作为反对“热寂说”的新发现。但天文学观测表明，至今没有任何有说服力的证据证明现在的宇宙是处在热平衡态并存在着上下“涨落”。由于缺乏事实依据，“涨落说”并没有真正从科学上解决宇宙“热寂”的问题。在利用物理学方法试图击垮”热寂说“无功而返后，人们开始利用哲学武器对抗”热寂说“。一种观点认为，热力学第二定律是从有限世界得来的，因而不能应用到无限的宇宙上。这个观点实际上和麦克斯韦的观点很相似。另一种观点则直接否认宇宙是一个“孤立系统”。其实问题就在这里，熵增原理前提是”孤立体系“，即一个不和外界环境发生物质和能量交换的体系。克劳修斯建立”热寂说和当年牛顿建立"经典力学体系“一样，在他们的理论中都埋伏有隐藏的前提条件，失去这个前提条件他们的理论就站不住脚，而这个条件他们自己认为是”不正自明"的“公理”。牛顿的经典力学体系里隐藏了“在所有参照系下时间都是不受参照系影响的自变量。”而恰恰这个前提是有待商榷的。克劳修斯也一样，他的“热寂说”里隐藏了：宇宙整体上是静止的“孤立体系”这个前提。问题是，宇宙是静止不动的“孤立体系”吗？ 大爆炸学说 “大爆炸学说”似乎大家都熟悉，老生常谈下吧。大爆炸理论认为宇宙开始于一个奇点，然后通过一次大爆炸打破了奇点，时空从此诞生。究竟是什么原因引起的大爆炸，现在物理学还无法知晓。因为在大爆炸之前，已知的物理学理论无效。剑桥大学轮椅上那位继承了当年牛顿教席的霍金先生，对大爆炸开始那一刻的普朗克时间（10负43秒）到35分钟后的演化，数学模型的建立做出了突出贡献。大爆炸已经是一个相当完善的理论了，而且一直被目前的宇宙观测结果所支持。例如，哈勃红移现象——即远离我们的其他星球的同位素光谱和地球上的比较出现了向”低频区“移动的”红移“现象，利用多普勒效应解释的话，说明其他星球正远离我们而去，而且越远的离去的速度越快。从而得出宇宙在膨胀这个结论，既然宇宙在膨胀，反推膨胀过程就能得出宇宙开始于一个无限小奇点的结论。后来”微波背景噪声“的发现也有利的支持了大爆炸学说，微波背景噪声正是当年大爆炸的”余温“（约热力学温度3，7K）。当然现代也有很多科学家反对大爆炸学说，提出了温恒态宇宙模型和等离子态宇宙模型。并且也从各自的学说角度解释了哈勃红移和背景噪声。如果，大爆炸理论是正确的，那么宇宙无疑是在膨胀的，既然宇宙是膨胀的那么宇宙就不是一个”孤立体系“，而是一个时刻在制造大量”负熵“的”类开放体系“（严格意义上讲不知道膨胀宇宙是不是开放体系）。至此，失去前提的热寂说不攻自破。 但是，大爆炸学说如果不是正确的呢？自从“热寂说”提出后，历代物理学，哲学家们就没有一刻停止讨论。连我的偶像上世纪和法国存在主义哲学大师萨特并称为”20世纪良心“的波特兰 罗素都无不感慨的说:“一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”。 薛定谔的”负熵“生命观（以下内容引用《生命是什么》） 一块物质怎么才能说他是活的呢？那就是当它继续在“做某些事情”，运动，新陈代谢，等等，而且可以指望它比一块无生命物质在相似情况下“维持生活”的时间要长得多。当一个不是活的系统被分离出来，或是放在一个均匀的环境里的时候，由于各种摩擦阻力的结果，所有的运动往往立即陷于停顿；电势或化学势的差别消失了，倾向于形成化学化合物的物质也是这种情况，温度由于热的传导而变得均一了。在此以后，整个系统衰退成死寂的、无生气的一团物质。这就达到了一种永恒不变的状态，不再出现可以观察到的事件。物理学家把这种状态称为热力学平衡，或“最大值的熵”。实际上，这种状态经常是很快就达到的。从理论上来说，它往往还不是一种绝对的平衡，还不是熵的真正的最大值。最后达到平衡是十分缓慢的。它可能是几小时、几年、几个世纪……。一个有机体能够避免很快地衰退为惰性的“平衡”态，似乎成了如此难解之谜，以致在人类思想的最早时期，曾经认为有某种特殊的非物质的力，或超自然的力（活力，“隐得来希”）在有机体里起作用，现在还有人是这样主张的。生命有机体是怎样避免衰退的呢？明白的回答是：靠吃、喝、呼吸以及（植物是）同化。专门的术语叫“新陈代谢”。这词来源于希腊字，意思是变化或交换。交换什么呢？最初的基本观点无疑是指物质的交换（例如，新陈代谢这个词在德文里就是指物质的交换）。认为物质的交换应该是本质的东西的说法是荒谬的。氮、氧、硫等的任何一个原子和它同类的任何另一个原子都是一样的，把它们进行交换又有什么好处呢？过去有一个时候，曾经有人告诉我们说，我们是以能量为生的。这样，使我们的好奇心暂时地沉寂了。在一些很先进的国家（我记不清是德国还是美国，或者两个国家都是）的饭馆里，你会发现菜单上除了价目而外，还标明了每道菜所含的能量。不用说，这简直是很荒唐的。因为一个成年有机体所含的能量跟所含的物质一样，都是固定不变的。既然任何一个卡路里跟任何另一个卡路里的价值是一样的，那么，确实不能理解纯粹的交换会有什么用处。在我们的食物里，究竟含有什么样的宝贵东西能够使我们免于死亡呢？那是很容易回答的。每一个过程、事件、事变－－你叫它们什么都可以，一句话，自然界中正在进行着的每一件事，都是意味着它在其中进行的那部分世界的熵的增加。因此，一个生命有机体在不断地增加它的熵－－你或者可以说是在增加正熵－－并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断地汲取“负熵”，我们马上就会明白“负熵”是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者，更确切地说，新陈代谢中的本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。一个生命有机体通过不可思议的能力来推迟趋向热力学平衡（死亡）的衰退，我们如何根据统计学理论来表达呢？我们在前面说过：“以负熵为生”，就象是有机体本身吸引了一串负熵去抵消它在生活中产生的熵的增加，从而使它自身维持在一个稳定的而又很低的熵的水平上。 从环境中引出“有序”以维持组织：假如D是无序的度量，它的倒数1/D可以作为有序的一个直接度量。因为1/D的对数正好是D的负对数，玻尔兹曼的方程式可以写成这样：负熵＝klog(1/D)。因此，“负熵”的笨拙的表达可以换成一种更好一些的说法：取负号的熵，它本身是有序的一个量度。这样，一个有机体使它本身稳定在一个相当高的有序水平上（等于熵的相当低的水平上）的办法，确实是在于从它的环境中不断地吸取秩序。这个结论比它初看起来要合理些。不过，可能由于相当繁琐而遭到责难。其实，就高等动物而言，我们是知道这种秩序的，它们是完全以此为生的，就是说，被它们作为食物的、复杂程度不同的有机物中，物质的状态是极有序的。动物在利用这些食物以后，排泄出来的是大大降解了的东西，然而不是彻底的分解，因为植物还能利用它。（当然，植物在日光中取得“负熵”的最有力的供应）（引用《生命是什么》） 总结下薛定谔的观点：生命就是不断从环境中摄取“有序的负熵”同时不断制造“无序的熵增”的过程。生命是什么呢？利用现代控制论观点认为生命是一个典型的“自组织耗散结构”。那么我们能不能反推这个控制论观点，认为所有“自组织耗散结构”都是有“生命”的呢？人类社会也是自组织耗散结构，我们常常说社会是有生命的，看起来不是没有道理的。 人工生命——“第二类冯 诺依曼机” 上世纪中叶，和同为犹太人的政治经济学家哈耶克并称20世纪两大全才（今天出场的都是重量级人物）的冯 诺依曼在他的《自我繁衍的自动机理论》提供了一个自组织耗散结构机器模型。冯 诺依曼是人们公认的“电脑之父”，他首创的储存程序结构的“冯诺依曼机”，至今还统治着几乎所有的计算机体系结构。早在本世纪40年代，冯·诺依曼就对自我繁衍的生命问题产生过兴趣。他设计的电脑体系可以编程，这是“电脑之父”最杰出的贡献之一。然而，一个问题始终困扰着早期的电脑界：这种能编程的机器最终能够通过编程来复制自己吗？ 自然界具有“自我繁衍”典型特征的物体当然是植物和动物，它们以细胞的形式自我“复制”了几十亿年。冯·诺依曼从生命进化过程里发现，他也许可以撇开生命具体的生物学结构，从中揭示“自我繁衍”的本质特征并把它用于人造的机器。他在专著里写到：任何具有自我繁殖的系统，都必须具有两个不同的基本功能，一是如何繁衍下一代的“算法”，就象是计算机程序；二是能够被用来复制的“描述”，类似于计算机数据。 1953年，当青年的沃森和克里克揭示出自然生命DNA分子结构的本质时，似乎准确验证了冯·诺依曼的上述预言——生命基因DNA分子结构正好满足同时具备“基因程序”和“基因数据”的要求。深受鼓舞的冯·诺依曼当时就想建立一种“细胞自动机”模型，把他的理论在计算机上进行模拟。可惜，这位天才巨星已身患癌症，第二年便匆匆告别人世，没有来得及完成他最后的夙愿。“自我复制繁衍的机器”引起了现今人工生命之父，克里斯 朗顿的注意。 郎顿认为：人工生命不同于常规生物学，它不是用解剖有生命的物种来理解生命。人工生命将用计算机等新型媒介来探索生物学领域的发展可能性，有点类似于人工智能，但不象人工智能那样用计算机来模拟思想，它模拟的是生命进化的过程和生命本身。在《自我繁衍的自动机理论》里，冯 诺依曼天才的提出了一个大胆思路——一个可以自我复制繁衍的自行机器。由于第一类冯诺依曼机是我现在正在打字的电脑，所以我叫这类可以自我繁衍的自行机器为“第二类冯 诺依曼机”。诺依曼设想设计一种机器可以利用环境中的能源和物质，不断摄取环境“负熵”生存并进而利用环境资源实现自我复制出另一台“第二类 冯 诺依曼机”，周而复始。如果能够实现“第二类冯 诺依曼机”自我复制，就可以颠覆整个经济学的工业生产成本理论。第二类冯 诺依曼机的思路引起了美国NASA的兴趣，可以把这类自我复制的机器人发射到火星等本来不适宜人类居住的星球上改造环境，为人类殖民外太空奠定基础。因为他们不用人管理，不断的复制自己，成几何数字增长，同时改造环境存储资源。在一定的阶段，只要一个人类指令他们就可以停止“繁殖”，或自己发射到另外的空间去自动寻找适宜条件的行星进行殖民。 待续，10，“大洪水”
2009-2-5 02:16:26
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