生物體(ti) 是高度有序的，典型特征就是結構精妙，它們(men) 通過攝入和消耗能量，生長繁殖。我們(men) 從(cong) 能量的本質考慮，才能更好理解生命的意義(yi) ，能量流可以增加有序。

運動，能量和熵

從(cong) 物理角度來考慮生物體(ti) 的有序性，我們(men) 要先了解一些物理星空体育官网入口网站。

首先是熱力學第一定律，即能量既不能產(chan) 生也不能消滅，但能量可以在不同形式之間轉化。最常見的能量形式是動能和勢能，把一個(ge) 鐵球從(cong) 高空中放下，自由落體(ti) ，勢能就會(hui) 轉變成動能。

能量守恒與(yu) 轉化

通過做功和傳(chuan) 遞熱量，也可以把能量從(cong) 一種形式轉換成另一種形式。在機械運動中，摩擦等效應會(hui) 使機械能耗盡而轉變成熱能釋放出來， 摩擦不是能量損失，它隻是能量轉化一個(ge) 過程。如果把產(chan) 生的熱能計算在內(nei) 的話，總能量則保持守恒。

熱是機械能的一種特殊形式，它是組成物體(ti) 的分子的動能之和 。不管是機械能還是動能，電能或者太陽能，最終總是有部分會(hui) 轉化成熱能。而熱能，是分子隨機和無序性運動的結果。增加有序性要付出的代價(jia) 就是要有一些有序能量降級為(wei) 熱能。

熵增的世界

對於(yu) 一個(ge) 孤立的係統來講，總是趨向於(yu) 無組織或混亂(luan) 的一團，這種混亂(luan) 度在物理學上用熵來表示。熵代表著係統的隨機性和無序性，混亂(luan) 度越高熵就越高，也就是熵增。

自然界也總是朝著熵增無序的方向發展，簡單來說，我們(men) 如果不打掃房間的話，它就會(hui) 變得越來越亂(luan) 。要減少它的熵增，外界必須對它做功，對於(yu) 混亂(luan) 的房間，那就是我們(men) 必須去打掃衛生。

被墨汁染黑的清水

當我們(men) 把一滴墨汁滴入一杯清水以後，整杯水都會(hui) 被染黑，但我們(men) 從(cong) 來沒有見過，這一杯墨水能夠自發地再分離成墨汁和水。也就是說對於(yu) 一個(ge) 孤立係統來講，它的無序性是不可能自發降低的，這也就是熱力學第二定律。

熱力學第二定律是殘酷的，它意味著萬(wan) 物都會(hui) 走向衰退。即使宏大如我們(men) 身處的宇宙，如果作為(wei) 一個(ge) 孤立係統考慮，早晚也會(hui) 達到熱平衡，宇宙中到處都是冰冷和黑暗，最終走向熱寂的可怕結局。

如果我們(men) 把組成生物體(ti) 的碳、氫還有其他的一些元素混合起來，放在一個(ge) 燒杯裏，維持上一段時間，它們(men) 永遠也不可能自發產(chan) 生生物體(ti) 。即使是最簡單的病毒，是介於(yu) 生物與(yu) 非生物體(ti) 之間，它也有著精致的結構。生物體(ti) 的產(chan) 生，粗看起來與(yu) 物理上熵增原理是矛盾的。

冠狀病毒的結構示意圖

事實上，地球上出現了大量形式豐(feng) 富的生命，那麽(me) 問題就來了，難道生物體(ti) 不受熱力學定律的約束？

宇宙中當然不可能存在兩(liang) 套物理規律，牛頓的萬(wan) 有引力定律拿到仙女座等任一外星係照樣適用。即使是生物體(ti) ，也要和非生命物體(ti) 符合同一樣的物理規律。而且，熱力學第二定律隻適用於(yu) 孤立係統，地球上產(chan) 生生物，就相當於(yu) 一個(ge) 大係統中的一個(ge) 某個(ge) 子係統自發的增加有序性，這並不奇怪。

從(cong) 物理學角度來考察生命體(ti) ，最簡單的是方法就是從(cong) 運動和能量來進行考慮。例如人類每天都攝入食物補充能量，在維持生命的基礎上，行走運動。按照熱力學第一定律也就是能量守恒定律，我們(men) 消耗的能量一定正比於(yu) 攝取的能量。

萬物生長靠太陽

生物體(ti) 究竟是如何維係生存？而且還能繁衍後代，甚至向更複雜的生命形式進化，那要歸因於(yu) 太陽。太陽就像是個(ge) 大火球，而我們(men) 地球相比是冷的，這種不均衡的溫度分布相當於(yu) 一種有序的形式，這也是地球上生命有序性的來源。

太陽與(yu) 地球

我們(men) 生活在地球上，有太陽能量的不斷輸入。太陽光持續不斷的入射到地球上，而地球的溫度卻能長期保持穩定，那麽(me) 必然是一部分能量被地球所消耗，另一部分，是以熱輻射等形式釋放到太空中去。因此地球不是一個(ge) 孤立的係統，它有太陽持續能量的輸入。那麽(me) 地球上生物的出現，生物有序度的逐漸增加與(yu) 熱力學定律也就不矛盾了。

地球上生命存在的秘訣就是能量流的有序傳(chuan) 遞。能完美利用太陽有序能量的生物是植物，植物可以依靠光合作用，把太陽輻射的有序能量吸收，並利用部分能量抵禦自身無序性退化的趨勢，用來維持自身生長。多餘(yu) 的能量還可以用來做功，例如把攝入的低能量物質（二氧化碳和水）轉化成高能量的碳水化合物。在這個(ge) 過程中，有序能量降級為(wei) 熱能，從(cong) 而產(chan) 生有序。所以，本質上，植物消耗的是來自太陽能量流的有序。

向日葵

生命不能無中生有的創造有序，植物靠太陽的能量，通過光合作用轉換能量以維持有序。人類是智慧生物，是自然界高度有序的存在，也需要攝入各種食物，通過新陳代謝分解和"燃燒"食物，進而釋放能量，從(cong) 高品質能量轉變成熱能，從(cong) 而獲得有序。這些有序都是源自於(yu) 太陽，這些有序通過一係列複雜的能量流在生物圈中流轉。

生命以負熵為生

量子力學創始人之一，諾貝爾獎得主薛定諤在他的跨界神作《生命是什麽(me) ？》中，就提出了有機體(ti) 就是靠負熵為(wei) 生的觀點。

一個(ge) 生命有機體(ti) 在不斷地產(chan) 生熵—或者可以說是在增加正熵—並逐漸趨近於(yu) 最大熵的危險狀態，即死亡。要擺脫死亡，要活著，唯一的辦法就是從(cong) 環境裏不斷地汲取負熵……

薛定諤認為(wei) ，生命就是一種極其精妙的秩序，可以通過新陳代謝成功消除生存帶來的熵增，生物進食的重要目的，不僅(jin) 僅(jin) 是為(wei) 了交換物質或能量，而是為(wei) 了交換有序，直至死亡為(wei) 止。

擼貓狂人：薛定諤

熱力學第二定律，告訴我們(men) ，這個(ge) 宇宙的自然趨勢是衰退到徹底的溫度平衡，整個(ge) 世界趨於(yu) 無差別的死寂。而生命的出現和存在是逆天的行為(wei) ，生物體(ti) 通過負熵的攝入，從(cong) 無序到有序的生存，甚至不斷的演化，變得更加的精巧和複雜。

究竟是自然規律的引導，還是其他觀察者意識的作用？這些終極的思考，已經超越了科學和哲學的領域，答案就是仁者見仁智者見智了。

總結

從(cong) 能量和熵等物理學概念出發，討論了生命為(wei) 何能夠維持高度的有序性。有序的能量降級轉化為(wei) 熱能時，可以增加有序。生物體(ti) 自身是不能憑空產(chan) 生能量和有序的，各種生命持續的無中生有都是來自太陽有序能量流的運轉。而生命以“負熵”為(wei) 生，抵消其自身產(chan) 生的熵增。



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