從熱力學(xué)第二定律的角度論述生命活動(dòng)的本質(zhì)

李若晨

摘要：熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)的基本定律之一，是指熱永遠(yuǎn)都只能由熱處轉(zhuǎn)到冷處（在自然狀態(tài)下）。它是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。所進(jìn)行的不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用態(tài)函數(shù)熵來描述這個(gè)差異。從宏觀來看生命（正常死亡的生命）過程就是一個(gè)熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個(gè)過程是一個(gè)自發(fā)的、單向的不可逆過程。結(jié)合生活中一些現(xiàn)象引發(fā)的思考，簡(jiǎn)要分析闡述了熱力學(xué)第二定律與生命活動(dòng)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)，熱力學(xué)第二定律， 熵，與生命活動(dòng)的關(guān)系

引言：熱力學(xué)第二定律是人們?cè)谏顚?shí)踐，生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，它們既不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，也不能用數(shù)學(xué)加以推導(dǎo)和證明。宇宙萬物的一切變化都在熱力學(xué)的掌控之中，包括兩種形式的能量之間的轉(zhuǎn)化，物體與物體之間熱量的傳遞，做功與能量的轉(zhuǎn)變。熱力學(xué)第二定律是所有物理定律的基礎(chǔ)，因?yàn)樗缍艘磺凶兓姆较?，也包括生命本質(zhì)既時(shí)間流向。

一、熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律（second law of thermodynamics），熱力學(xué)基本定律之一，其表述為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。又稱“熵增定律”，表明了在自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會(huì)減小。

1824年，法國(guó)工程師薩迪·卡諾提出了卡諾定理。德國(guó)人克勞修斯（Rudolph Clausius）和英國(guó)人開爾文（Lord Kelvin）在熱力學(xué)第一定律建立以后重新審查了卡諾定理，意識(shí)到卡諾定理必須依據(jù)一個(gè)新的定理，即熱力學(xué)第二定律。他們分別于1850年和1851年提出了克勞修斯表述和開爾文表述。這兩種表述在理念上是等價(jià)的。

但是，違背熱力學(xué)第二定律的永動(dòng)機(jī)稱為第二類永動(dòng)機(jī)。

二、熱力學(xué)第二定律與物種進(jìn)化的關(guān)系

生命系統(tǒng)是一種特殊的結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部及其與環(huán)境之間發(fā)生著不間斷的物質(zhì)、能量和信息的交換，物質(zhì)的傳遞和信息的傳遞都必然伴隨著熱量的傳遞。

從統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，熵是系統(tǒng)中微觀粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的混亂程度的量度，系統(tǒng)內(nèi)部的分子、原子運(yùn)動(dòng)越是混亂無序，熵的值就越大。一個(gè)孤立系統(tǒng)中的不可逆過程總是自發(fā)從非平衡狀態(tài)趨向平衡態(tài)，總是朝著混亂度增加的方向進(jìn)行的，即孤立系的熵永不減少，總是單調(diào)地增加至極大值。這就是物理學(xué)中著名的“熵增加原理”。

熱力學(xué)第二定律使基本粒子的軌跡產(chǎn)生差異，從宏觀上講使得熵值在自發(fā)的反應(yīng)中不斷加大。事實(shí)上，熱力學(xué)第二定律是相對(duì)分裂的結(jié)果，相對(duì)分裂會(huì)使相同的東西出現(xiàn)差異，因此簡(jiǎn)單的狀態(tài)會(huì)越來越復(fù)雜，聚集的粒子逐漸分開形成新的粒子，導(dǎo)致了原始的物種逐漸演變出新的物種。這里從微觀角度闡釋了物種進(jìn)化的本質(zhì)。

三、熱力學(xué)第二定律與個(gè)體生命的關(guān)系

人不斷地新陳代謝，不斷地產(chǎn)生熵，為了不使生命趨于平衡態(tài)，為了擺脫死亡，就必須不斷地從環(huán)境中吸取“負(fù)熵”以避免熵的持續(xù)增長(zhǎng)，避免自己衰變。在“負(fù)熵”的驅(qū)動(dòng)下，生命成為一種有規(guī)律、有秩序的運(yùn)動(dòng)。歸根結(jié)底，負(fù)熵的來源是太陽，由此可以估計(jì)地球上能養(yǎng)活的人口應(yīng)有一個(gè)上限。

由熱力學(xué)第二定律可知：一切的變化都是整體時(shí)間的增加和個(gè)體時(shí)間之間的傳遞。那么在變化時(shí)，整體流逝掉的時(shí)間必然是增加的，而個(gè)體時(shí)間之間的差異在不斷減小，所以年輕的生命必須把未來的時(shí)間傳遞給老年的自己而使自己的年齡增長(zhǎng)。所以從這個(gè)角度，我們給出了生命逐漸衰老這一過程的解釋。

普里戈金認(rèn)為生命系統(tǒng)之所以是一個(gè)具有自組織、自我調(diào)節(jié)控制能力的耗散結(jié)構(gòu)，正是因?yàn)樗情_放的、非平衡的、各構(gòu)成要素處于協(xié)同作用的相干狀態(tài)，具有非線性反饋機(jī)制并存在著導(dǎo)致有序化的漲落。生命系統(tǒng)正是在耗散能量的新陳代謝過程中完成了生命的有序進(jìn)程。普里戈金的這一理論在探索和解釋各種生命過程如生命起源、生物進(jìn)化、胚胎發(fā)育、信息傳遞以及癌癥發(fā)生和防治方面都顯示出越來越廣闊的應(yīng)用前景。

四、從熱力學(xué)第二定律的角度探討時(shí)間旅行的可行性

我們考慮一下逆向旅行，也就是回到過去。我們可以發(fā)現(xiàn)，我們不論采用什么方法，所有的活動(dòng)都是在我們這個(gè)宇宙內(nèi)部進(jìn)行的，是無法回到過去的。既然是回到過去，我們就是要將整個(gè)宇宙調(diào)整到過去的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。也就是說，要回到過去，我們首先要在宇宙這個(gè)大的封閉系統(tǒng)中進(jìn)行活動(dòng)，其次我們要將這個(gè)宇宙調(diào)整到過去的某個(gè)狀態(tài)，從熱力學(xué)第二定律的角度來看，我們的宇宙是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，宇宙中所有發(fā)生的進(jìn)程都是熵增的，不可逆的。所以沿著熵增方向的未來時(shí)間旅行是可行的，但是沿著熵減方向的過去時(shí)間旅行是不可行的，也就是說，我們不可能通過某種方式回到過去。

我們?cè)倏紤]一下正向旅行，也就是前往未來。這個(gè)其實(shí)愛因斯坦已經(jīng)給出了一種可行的方式，也就是以近光速的速度在宇宙中旅行，快速旅行人的時(shí)間相對(duì)于地球的時(shí)間流速變慢，當(dāng)旅行者返回地球時(shí)，就相當(dāng)于穿越到了未來。這個(gè)雖說技術(shù)上還是不可行的，但是理論上是的確可行的，且這種方式?jīng)]有違背熱力學(xué)第二定律，這同樣是一種熵增過程。

總結(jié)

從宏觀來看生命（正常死亡的生命）過程就是一個(gè)熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個(gè)過程是一個(gè)自發(fā)的、單向的不可逆過程。而這個(gè)過程中，生命體通過攝入負(fù)熵來抵抗熵增，但是最終也都由于體內(nèi)熵達(dá)到了一定的限度而使生命崩潰。

對(duì)于生命的本質(zhì)，是一種走向毀滅的宿命，但是真正有價(jià)值的是走向衰亡中的過程。

熱力學(xué)第二定律不僅揭示了許多熱力學(xué)上的問題，同樣對(duì)其他學(xué)科的其他問題有著重要的意義。熵，是在熱力學(xué)中提出的概念，經(jīng)過科學(xué)的不斷發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)“熵”是一個(gè)十分宏觀的概念——混沌。自然界中一切過程具有方向性的原因，同時(shí)也給時(shí)間的研究帶來了一些啟迪。熱力學(xué)第二定律的意義已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了熱力學(xué)的范圍，用熱力學(xué)第二定律解釋生命活動(dòng)的本質(zhì)則是一個(gè)非常有趣的過程，不僅加深了我們對(duì)這條定律的理解，同時(shí)也讓人看到了科學(xué)的美妙之處。

參考文獻(xiàn)：

[1]《熱力學(xué)第二定律與時(shí)間的神秘走向》2001年6月 宋建民 著《物理雙月刊》

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[3]科學(xué)出版社曹兆烈《熱學(xué) 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》

[4]《生命與熵》

[5]《工程熱力學(xué)》第5版 沈維道，童鈞耕主編 高等教育出版社