有天下第一定律吗?可以有,非它莫属。大家知道有个熵增定律吗?就是所谓的热力学第二定律。有人认为,“熵增定律是自然界至高无上的原则”,它揭示了宇宙演化的终极规律。搞懂了这个定律,就参透了世界的本质。该定律说,熵是系统的状态函数,系统内只有高温物体向低温物体传递热量,叫做熵增定律。《生命是什么》是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔创作的生物学著作,于1944年首次出版。薛定谔通过热力学和量子力学理论来解释生命的本质,引入非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式突变等概念来说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传和变异等现象,从而推动了分子生物学的诞生。书中指出,生命是摆脱混乱和无序,以负熵为生。在一个封闭系统内,只能是熵增,走向混乱无序,走向消亡,那又如何实现熵减,那就是要做到保持开放、主动做功、智能升级的“三步法”。“三步法”这就是为什么中国式现代化要坚持进一步深化改革开放理论依据所在,这就是新发展理念所提出的开放创新、协调融合、绿色共享方式方法和实现途径的底蕴所在。
1854年,一位叫克劳修斯的德国人,首次提出了熵增定律的概念。他认为在一个封闭的系统内,热量总是从高温物体流向低温物体,从有序走向无序,如果没有外界向这个系统输入能量的话,那么熵增的过程是不可逆的,最终会达到熵的最大状态,系统陷入混沌无序。因此,熵增定律被认为是有史以来最令人绝望的物理定律,因为我们的宇宙也是一个封闭的系统,而封闭系统总是会趋向于熵增,最终慢慢达到熵的最大值,出现物理学上的热寂,世界变得像沙漠一样。
什么是熵增定律?其定义是:在一个孤立系统里,如果没有外力做功,其总混乱度(熵)会不断增大。什么是“熵”?熵,是用以度量一个系统“内在的混乱程度”。可以理解为,系统中的无效能量。“熵增定律”里面有三个词非常重要:孤立(封闭)系统、无外力做功、总混乱度(熵)。也就是说,熵增定律要满足至少两个条件:封闭系统+无外力做功。
任何一个系统,只要满足封闭系统,而且无外力维持,它就会趋于混乱和无序。生命也如此。生命的减熵过程中,其实一直在做三件事:第一,努力保证能量的供给。比如,从化学作用到光合作用和呼吸作用;到光合作用+呼吸作用的结合体;到多细胞生物。第二,努力开放系统。细胞从无法移动,到进化出游动能力、爬行能力、行走能力、飞行能力。第三,努力变得更加智能。生命为了花更少的能量来获取更多物质和能量,进化出了感知能力,比如当时的霸主奇虾,就有很大一对眼睛。知道的信息越多,就能减少更多熵的耗散。生命之所以是负熵系统,并不是说生命的增量总是处于负状态,而是说生命可以一直保持低熵状态。之所以能保持这种状态,是因为我们可以通过摄取外界的能量来大幅增加熵值,有时候还可以大幅降低熵值。但是人体的熵系统也是一个不可逆的过程。从宏观系统来看,熵在增加,最终结果是死亡。但是,大系统中有无数个小系统。只要我们能让这些小系统不断降低熵,我们就能极大地继续容许熵的增加,极大地延长寿命。
热力学第二定律,首先以科学的面貌,揭示了物理世界中的不可逆过程,它说明,物理学终于在自己同人们所熟悉的有着过去、现在、未来严格区分的世界之间架起了桥梁。其实,对于不可逆性人们本是极为熟悉的,人们早就体察到时间的流逝,单就对时间之矢的规定性而言,人们早就有了深切的感受和清醒的认识到“生老病死”的命题,它不仅客观地表述了人生的不可逆性,而且从某种意义上讲,它同热力学第二定律的宏观表述一样,都是以某种特殊的不可逆形式,表达了自然界中发展的不可逆性,即两者在逻辑上是等价的。在提出热力学第二定律的定性表述之后,克劳修斯一直致力于它的定量化问题研究。从而明确了对自然变化的方向性的认识,之后又通过一个十分简单的例子即在理想气体的情况下得到了熵的定量化形式。后来,他又从数学上严格证明了“熵增原理”,从而完成了第二定律的数学表示,亦称宏观表述。热力学第二定律及其量化形式即熵增定律不仅具有确切的定义,而且在经验上是可操作、可检验的,完全符合经典科学的基本规范,因此无可非议地属于科学的组成部分。特别是它的提出,因改变了以前科学对自然过程的方向性和时间的看法而更加引人注目。
熵与熵增定律意义的进一步扩展,在于玻尔兹曼对其微观概率表述中确立。熵的微观表述的提出,已赋予熵一种崭新的含义,那就是熵的大小,已成为热力学系统微观层次分子运动的无规则性和混乱程度的描述;或者说在熵与序之间已建立起一种对应关系。这使熵获得了更普遍的意义。对于包含多个层次的复杂系统,每两个层次之间的关系就可以用熵来描写,亦即在确定了上一个“宏观”层次后,下一个“微观”层次的状态分布的不确定性就可以用一个确定的统计熵值描述。熵的微观表述,使熵增定律的意义发生了重要变化,但同时也给人们理解不可逆现象带来了一些新的问题。
总之,熵增定律,从宏观上说,是个总趋势,任何事物都有个发展过程,从产生到发展,至衰落,直至消亡,这是一个不可回避的自然规律,但是从微观上说,可以通过熵减,来实现事物和生命的维持和升级转变。关于减熵要引入一个“耗散结构”的概念。耗散结构是指,一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。到这里,我们自然而然地联系到中国新时空服务体系、数字经济和中国式现代化。归根到底,是实施“三步法”,这就是:保持开放,主动做功,智能升级。在前行的过程中,不断奋力拼搏,不断创造机遇,不断打破平衡,不断大踏步的前进。
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