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January 20, 2011

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生命与负熵

作者: physixfan

热力学第二定律说道:在孤立热力学系统中,系统的熵永不减少。熵是用来表征系统混乱程度的物理量,因此这条定律实际上是在说,孤立系统的混乱程度永远是在增加的。直到达到热平衡,系统的熵达到了极大值,系统状态将不再改变,归于沉寂。“落叶永离,覆水难收;欲死灰之复燃,艰乎其力;愿破镜之重圆,冀也无端;人生易老,返老还童只是幻想;生米煮成熟饭,无可挽回。”【1】无数自然现象,无不印证着熵增原理的正确性。

然而,生命现象却似乎是个例外。生命是一种总是维持低熵的奇迹。一个生命,在它活着的时候,总是保持着一种高度有序的状态,各个器官各个细胞的运作井井有条。它并不会立即达到一种类似热力学平衡的不再活动的状态,相反,生物能够主动“做某些事情”、运动以及不断与外界进行物质能量交换恰恰是生物区别于普通物体的一个重要因素。而一个生命一旦死去,就会很快被熵增原理的强大威力给收服,很快将趋于热平衡状态,变成一片死寂的一堆极其无序的物质。那么,究竟是什么原因使得生命看似违背了普适的熵增原理呢?

问题的根源就在于,热力学第二定律只是用于“孤立系统”,即与外界没有物质、能量交换的系统。而生命之所以能长时间维持自身处在低熵有序状态,其秘诀正是在于它与外界的物质能量交换,即新陈代谢。

我们要搞清楚的是,新陈代谢的目的本质并不是交换物质。构成我们身体的原子,无非就是碳氢氧氮磷硫,和外界的普通原子没有什么区别,仅仅交换原子并不能给生命带来直接好处。

更应该明确的是,新陈代谢的目的本质也不是交换能量。似乎很长一段时间里,人们一直把吃饭喝水看成是单纯的吸收能量,认为生命以能量为生,而且至今大部分没有学过物理学的人也是这么看待的,人们满足于这样一种简单的理解。但是,“其实这非常荒唐,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。既然体内一个卡路里跟体外一个卡路里的价值是一样的,那么,确实不能理解单纯的能量交换究竟有什么用处。”【2】

那么,新陈代谢的本质究竟是什么呢?到底是怎样一种物理过程使得生命得以维持低熵,避免死亡呢?其答案就是,从环境中不断地汲取负熵,生命以负熵为生。或者说新陈代谢的本质就是,从外界不断地汲取负熵,以抵消生命运作过程中不得不产生的熵增。

负熵就是熵的对立,熵代表的是无序,而负熵表示的则是有序。汲取负熵,可以简单的理解为从外界吸收了物质或者能量之后,使系统的熵降低了,变得更加有序了。因此,我们吃的东西必须本身非常有序,即食物必须低熵,所以我们动物只能吃生命。植物则有所不同,对于植物来说,最根本的负熵来自太阳的阳光。阳光是整个地球上所有生物所汲取的负熵的根本来源。因此,我们以后不要只感谢太阳带给我们的无限能量,一定要在后面加上一句,感谢太阳带给我们的负熵~!与此同时,我们的身体不断地向外界辐射红外线,这就是带走生命运作增加的熵的一种方式;另一种方式是排泄,显然排泄物的混乱程度是比我们的食物更高的。

有人可能会问,钻石之类的晶体,它们的熵也是很低的,如果新陈代谢只是为了汲取负熵,为什么人们不能吃钻石为生呢?我们所能给出的回答是这样的,钻石确实是处在一种低熵的状态,这点大家都承认。但是生物体本身的熵很低,要维持这样一种低熵状态本身一定是一件很难的事情,需要很复杂的机制才能做到这一点,所以人们能吃的东西就不仅仅低熵就可以了,而是通过自然选择,仅仅只有某一小部分低熵的物体是可以被吸收利用的。真实自然选择的结果就是,钻石不能成为食物,而肉、菜之类的东西就可以。但是我们也不能排除在科技高度发达的未来会存在某种机器人,单靠吃晶体就能活…

生命以负熵为生,也许,这就是生命的本质吧。

参考文献:

【1】赵凯华《新概念物理学教程 热学》 高等教育出版社

【2】薛定谔《生命是什么》 湖南教育出版社

//这是我帮同学写的一个物理小论文..因为负熵的问题本身比较有趣 所以就给贴过来了~

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45 Comments Post a comment
  1. 御宅暴君
    Jul 9 2012

    看来回帖里很多人不认同此说法,那有比《生命是什么》有更权威更严谨更科学的书吗?

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  2. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    我,有很多想法,我也是读了此书的众多读者中小小一个,我有些问题,据他书中所说,我们需要吃东西补充 序 来降解达到维持我们身体动态平衡,但,他也说,补充进去的能量当转化为热能来加快 降解 速率,同时产生的热量可以远远超过反应本身所需的热量,这就有矛盾了,在这先不点明了,有兴趣的初中童鞋可以和我一起讨论一下哈〜〜我反正连变温恒温也一起 分类讨论 了一下,这里就不深入了,一旦要尝试着解释生命活动的话,真的很混乱的,不过可以锻炼脑子哈~~

    Reply
  3. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    第一,他的模型不优雅。。。第二,有兴趣的童鞋(最好是初中吧。。)可加我190629695QQ,总觉得谈论这种东西要找到一个知音很高兴的说!!第三,必须尊重前人的科学成果 第四,未来的路还很长呢,。。。。。。有人理我吗。。。。

    Reply
  4. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    。。。没有绝对的定义吧。。。毕竟大于零的模型同样是人造的,关键是能否优美地解释。。。。(装啊装啊。。。哈。。)就象引进复数一样的说。。。

    Reply
  5. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    前半句 好东西 后半句 你什么意思的咧。。。

    Reply
  6. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    学校扼杀创造力?科学毁了幻想?建议您去多看看TED演讲吧,21世纪,可能真需要这样的思维,。。真的。。。

    Reply
  7. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    那,它为甚么要保温呢(恒温)?保持无序?加快速率?。。。希望有人能解答我。。。

    Reply
  8. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    他是一种量度。。。呵。。。好深奥。。。。。

    Reply
  9. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    压倒 。。。好"科学"。。。^_^但原书中的 吸收(降解)到底是神马秦况!它,它怎么 吸收的啊。。。。。

    Reply
  10. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    作为初中生的我弱弱加一句。 。。"不要太钻牛角尖"什么的老私的忠告大可不必去听,有自己的思考,还有好基友的共同探讨,定能将一个简单问题深入到甚至可能高于科学工作者还说不定呢!所以成长路上定然要为自己在心灵中留下一片天地,不受老师等教育工作者的影响,。。。呃。。。你的么。。去重拾回来吧。。。。呵呵。。。。。嗯嗯。。

    Reply
  11. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    原书有悖论的感觉!!具体看最后的评论吧(我的)。。。

    Reply
  12. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    老大。。。。它。。。或许有他存在的意义吧。。。人家薛定锷大葛格和其他科研者想过的总不会比你少吧。。。不要妄下定论哦。。再者说,当初错误地定下 正电荷 不是也沿用至今当做电流方向么,本质是负电荷定向移动。。不和熵类似么。。意义什么的只是它在庞大自然科学体系中有那么一席之地罢了,具体的意义么,是后人的事也是我们这代人乃至10后的使命了。(哥是2000的初一奇葩。。。哈哈。。。。)

    Reply
  13. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    靠。。。。回复错了,是下楼的话。。。。。不过,科学,需要谦逊的态度接近他, 有违科学 一听就知道是对自我学历的夸扬(不忍心说炫耀)这口气(不要想太多)也应不会是对科学的敬重。。我们来共同反思吧。。。。呵

    Reply
  14. xiaowujinkai
    Apr 30 2013

    熵 我们还有好多要去探索呢。。。in short,我觉着包括这篇文章作者本人对于这概念的负熵,也只停留在复述前人科学家的观点,我们是个会思考的种群,希望在独立创新思考方面作者能有所突破 .If we have been able to see further, it was only because we stood on the shoulders of giants,wasn'it? Make a change.Urge.

    Reply
  15. Hellfire
    Jun 2 2013

    生命的本质就是低熵体

    Reply
    • xiaowujinkai
      Jun 29 2013

      那您有没有想过熵变时的动态过程呢?我觉得既然有这个模型,那就要有完整令人信服的证明。。亦或是要等下代学生思考的结果吧。。。呵,可能会些许扯上哲学的理论吧,。真有些复杂的说。。。

      Reply
      • Hellfire
        Jun 29 2013

        我没有明白你的意思,这与哲学何干?

  16. xiaowujinkai
    Jun 29 2013

    生命是否需要负熵?也就是说生命降解低熵物质所需要的热能与降解以后物质转化的热能不是同一个层面的。亦或可以从生物是否需要逐代演化成恒温动物来考虑,特别是降解低熵物质的过程令人费解在此时并不能提供较完美的解释前故只好先将问题,抛给喜欢争论的哲学了呵。。。

    Reply
  17. Mettar
    Jul 25 2014

    我也觉得不存在负熵哎。本质上说,接受能量都有熵增的趋向,但生物体本身代表着一种秩序,这种秩序可以实现稳定的熵增而把能量储存起来。

    Reply
  18. Nov 10 2014

    好文,绝对地赞!

    Reply
  19. 551657805
    Sep 26 2015

    科学这个东西才流行几年啊? 才出来几十年啊? 那你用科学解释一下中医吧? 几千年来都用这个治病,确定它是有效的。

    Reply
  20. Nov 7 2015

    生命在于负熵

    Reply
  21. 海上千阳
    Nov 21 2015

    食物从低熵转化为高熵的排泄物。就是一个排出体内增熵的过程吧。

    Reply
  22. big bang
    Jul 26 2016

    好文,回复里的大多数人都没学过热力学吗?说文章概念错误的人连熵的基本概念都不懂?

    Reply

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