能否尽量通俗地解释什么叫做“熵”?怎么用物理学中的“熵”去解释生命的生和
发布时间: 2023-07-07

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能否尽量通俗地解释什么叫做“熵”

简单说,熵就是事物接近混乱状态的程度,事物越无序越混乱,熵越大。世间万物都有从高有序度转向低有序度的自然倾向,这就是熵增的趋势。就好像人人都有懒的时候,想象下,一个小区,当无人清理的时候,环境就会开始乱糟糟,这就是熵增。

通常,瓶子破碎了玻璃渣比较容易,要想从玻璃渣恢复到整个瓶子就要耗费能量。周围的环境更容易变得脏乱差,而想要恢复整洁有序的环境,就要去做功才能实现,要有能量的消耗。世间万物,就连宇宙也逃不过熵增的咒语,逐渐混乱,最终达到温度平衡,整个宇宙处于冰冷寂寥的死亡状态。

但对于生命体,薛定谔一早就提出,是以负熵为生的,也就是生物体可以靠吃喝呼吸,对外的物质交换来维持生命体的有序,这就相当于从周围环境中获取有序。人从生到死,就是熵增到了最大值。

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怎么用物理学中的“熵”去解释生命的生和死

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。



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