生命以负熵为食之一：什么是熵
生命以负熵为食之一：什么是熵
生命以负熵为食之一：什么是熵
前些时候，一位研究者坐在书桌前，打开电脑准备工作。忽然间，嘴馋了，看到鼠标前面有一盒“每日黑巧”巧克力。他打开一颗，却发现它已经发霉了。密封的巧克力为什么会发霉呢？这个问题让他联想起了“熵增定律”，并激发了他写这篇文章的灵感。
世间万物看似纷繁复杂，但如果能用一些基本原理去理解它们，事情就会变得简单明了。“熵增定律”就是这样一条基本原理。它不仅揭示了自然界中不可逆的过程，还深刻影响着我们对生命、宇宙以及一切存在的理解。
熵增定律的表述：
- “熵”的定义：“熵”是系统混乱程度的量度
“熵”不仅在不同科学领域中有其特定的意义，而且拥有明确的量化方法。无论是在描述物理系统，还是信息系统的特性时，“熵”都提供了一种量化无序程度或不确定性的有效手段。在物理学中，特别是热力学和统计物理里，熵是一个重要的状态函数，用来描述系统的无序程度或不确定性。
- 在热力学中：熵的单位通常是焦耳每开尔文（J/K）。克劳修斯首次引入了这个概念来描述能量无法转化为功的比例，公式为 (dS = \frac{\delta Q}{T})，这里 (dS) 是熵的变化量，(\delta Q) 是传递给系统的热量，而 (T) 是系统的绝对温度。
2.在信息论中：香农提出了信息熵的概念，用来度量一组概率分布中的平均信息量。信息熵的单位依赖于对数使用的底数。如果使用自然对数（底数为e），则单位称为纳特（nat）；若使用以2为底的对数，则单位是比特（bit）或香农（Shannon）。
3.在统计物理中：玻尔兹曼定义了熵与系统微观状态数量之间的关系，即 (S = k \ln W)，其中 (S) 代表熵，(k) 是玻尔兹曼常数，而 (W) 表示微观状态的数量。这表明熵与系统可能的状态数目有关，数目越多，系统的熵就越高。
- 熵增定律的表述是：在一个孤立系统中，事物总是自发地、不可逆地朝着更加混乱、无序的方向发展，即熵增加的方向行进；当熵达到最大值时，系统将陷入严重混乱，最终“寂灭”。
宇宙的熵增过程
我们把宇宙视为一个大系统。在宇宙诞生之初，它是一个高度有序的真空状态，老子将这个状态称为“无”。接着，在真空状态下，由于量子涨落产生了虚粒子，这种虚粒子会成对出现并且在极短的时间内湮灭，这一现象（粒子出现）即老子所说的“一”。随后量子涨落引发了局部的不平衡状态，即老子所说的“二”。然后，量子暴涨引发了奇点爆炸（大爆炸），这是老子所说的“三”。随后，宇宙迅速膨胀，生成了万物，即老子所说的“三生万物”。
在这个过程中，量子涨落在宇宙尺度上被放大，形成了今天我们观测到的大尺度结构（如星系团和宇宙微波背景辐射中的温度波动）。尽管在这一过程中有局部的有序化现象，如星系和生命的出现，但整体趋势依然是向着更高的无序度发展，是一个从“低熵”到“高熵”的过程，最终可能导致宇宙走向消亡或进入新的阶段。
熵增的含义
我们来观察宇宙的“熵增”的过程，从最初的奇点开始，“熵”便一直增加，当熵值达到极致时，宇宙可能会消亡或者开启另一个新的阶段。
但是，如果我们从“熵增”过程本身来看，正是因为有“熵增”，才有了宇宙的存在、宇宙才有了生命；反之，如果没有“熵增”过程，便没有宇宙。所以“熵增”的结果虽然是消亡或另一阶段的开启，但“熵增”的过程却赋予了熵增对象生命；而熵增对象获得生命的方式是通过对抗“被熵增”而完成的。
这一点用人的生命周期来类比，人的生命作为一个受精卵时，是其“熵”最小的时候，也就是生命最有秩序的时候，同时也是最健康的时候，从受精卵分化开始，到出生，再到成长直至生命结束，其混乱程度不断增加，最终消亡。这个过程是熵增的过程，但也是生命的本质所在；因为有了熵增而有了生命。
因此，熵增不仅是宇宙发展的必然规律，也是生命得以存在的基础。我们每个人都在对抗熵增的过程中体验着生命的美好，同时也不可避免地走向最终的消亡。这种矛盾与统一，正是熵增定律所赋予我们的深刻启示。
日常生活中的熵增
接着前面关于宇宙和生命中熵增的讨论，我们再将视角转向日常生活。以家庭环境为例，如果我们在家中无意识地行动，比如随意放置物品、不及时清理垃圾，家里的秩序会逐渐被破坏，“熵”会增加，房间变得越来越混乱。然而，如果我们有意识地进行整理和清洁，比如归类摆放物品、定期打扫卫生，家里的秩序可以恢复，“熵”会减少。这里的“意识”成为了家庭环境的外部干预系统，它能够通过输入意识和能量（如人力劳动）来影响家庭环境这个系统的熵值。
这一现象表明，尽管熵增定律在孤立系统中是不可逆的，但在开放系统中，通过外部意识干预和能量的输入，我们可以暂时逆转局部的熵增趋势，使系统重新回归有序状态。
“熵增”的特性：
结合前面的解释和例子，我们可以总结出熵增的一些重要特性：
单向性和不可逆性： 在一个封闭的系统中，从有序到无序的变化是必然且单向的。正如老子所说：“无生有、一生二、二生三、三生万物”，这是一个不可逆的发展过程。
熵增的动力来源：一个封闭系统从上一个状态到下一个状态，“熵”是增加的，这种增加是由于有能量梯度差（例如温差）推动的，这种能量梯度差，我们也可以将其理解为一种“势”----一种由能量梯度差导致的“熵差”所形成的“驱动力”。
3.熵增与生命的关联：正是“熵”的“势”推动了熵增，而熵增的过程使得事物具有了动态演化的能力，从而孕育了生命。可以说，熵增的过程就是生命的过程，没有熵增便没有生命的诞生和发展。
- 宇宙的终极命运: 当宇宙的熵增达到极值时，能量将完全均匀分布，失去驱动熵增的“势”，从而进入“热寂”状态。根据单宇宙理论，这标志着宇宙的永久终结；而循环宇宙理论则认为，新的宇宙可能因量子涨落而诞生，再次经历从“低熵”到“高熵”的循环过程。
5．熵的物理意义：“熵值”是衡量系统无序程度或混乱度的物理量，它本身是一个状态函数，具有绝对意义；而“熵变”（熵的变化）则是相对的，取决于系统两个状态之间的熵差异。
6．熵与混乱度的关系：熵值越高，系统的混乱程度越高，意味着更大的不确定性；熵值越低，系统的混乱程度越低，意味着更大的确定性。
7.“熵”的普遍性：任何物质或意识都带有“熵”，不仅物质系统具有熵，意识（信息）也带有熵。这意味着，无论是物理世界还是抽象的信息世界，熵的概念都可以适用。
复杂性与无序的关系：系统中的元素越多、相互关系越复杂，越容易导致无序。因此，无序程度与构成元素的数量成正相关。这也解释了为什么复杂的生态系统更容易出现混乱。
熵的交换： 在两个系统之间，“熵”是可以交换的。具体表现如下：
当两个系统为物理系统时：一个系统的“熵”减少而另一个系统的“熵”增加；但两个系统熵的总量可能增加或保存不变（不可能减少）。
当两个系统为信息系统时，可能出现三种情况：两个系统的“熵”都增加；两个系统的“熵”都减少；一个系统的“熵”减少而另一个系统的“熵”增加。两个系统熵的总量亦有三种情况：总量增加、总量减少、总量不变。
当两个系统一个为物理系统、一个为信息系统时，可能出现两种情况：信息系统的“熵”增加而物理系统的“熵”减少；两个系统的“熵”都减增加。两个系统熵的总量亦有三种情况：总量增加、总量减少、总量不变。
- 意识具有低熵特性：意识可能是一种高维度的存在，类似于量子态，其熵值较低。因此，意识可以通过干预使系统更为有序。例如，人类通过科学和技术手段改造自然环境，实际上就是在对抗自然界的熵增趋势。
总结：记住上述“熵”的特性，因为它们将在后续讨论中起到重要作用。熵增定律不仅是物理学的基本原理之一，也是帮助我们理解和预测世界变化的重要工具。它揭示了自然界和社会生活中普遍存在的规律，为我们提供了观察世界的全新视角。无论是微观粒子的行为，还是宏观宇宙的演化，乃至日常生活的点滴细节，熵增定律都在其中扮演着核心角色。