互动科普

无序程度的指标—熵

熵是在热力学、统计物理学领域应用非常广泛的一个概念。然而，此处我们并不打算对熵的专业定义进行详细介绍。简单来说，熵是表征物体或空间状态的“无序程度”或“混乱度”的参量。

热力学和统计物理学奠基人、奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann， 1844～1906）于1877年提出用“熵”来量度一个系统的无序程度。熵并非一个抽象的概念，而是一个像温度和压力那样可以计算和度量的物理参量。

玻尔兹曼提出用“熵”来量度一个系统的无序程度

在封闭的空间，熵总是增加的

如果将一个物体放置不管，听任自然发展，无论其结构如何，随着时间的推移，一定会按照熵增的方向演化（熵增定律）。例如，在盛有水的杯子里放入冰块，冰块将慢慢融化。其实，这也是熵增的一个例子。冰是水分子有序排列形成的结晶。冰融化为水则意味着水分子的有序排列被打乱，处于无序状态，也就是说熵值趋向增大。冰融化为水后，不可能重新自发地结成冰（熵减）。

但是，如果将杯子放入冰箱中冷冻的话，水又会结成冰（熵减）。也就是说，在与外界既有能量交换又有物质交换的“开放空间”（开放系)中，熵增定律未必成立。归根到底，熵增定律仅适用于与外界既无能量交换又无物质交换的“封闭空间”(封闭系、孤立系）。

生命以负熵为生

物理学家薛定谔提出了“生命以负熵为生”的观念。也就是说，生物通过从外界摄取能量（营养）来“抵抗”自身的熵值增大（建立和保持有序的结构）。生物体是一个与外界进行能量和物质交换的“开放系”，所以不必遵循熵增定律。

能给“生命”下一个定义吗？

有的词典里是这样解释生命的：“生命是生物的存在之本，是从摄取营养、物质代谢、感觉、运动、生长、繁殖等生活现象中抽象出的一般概念。”这是生命在词汇学上的定义，并不是能够回答“生命是什么”这个千古疑问的科学性的定义。千百年来，给生命下一个让大多数科学家认可的科学的定义一直是一个难题，时至今日依然没有完全解决。

虽说如此，许多著名的科学家还是就“生命是什么”这个问题，给出了自己的答案（请参考下文）。尽管当时人们对生命科学的理解还不像今天这样深入，对生命的定义自然也受制于当时的科学水平，但是，这些答案给人的印象依然是那样的睿智，不能不让人佩服。

现在，能回答“生命是什么”这个问题吗?

如果我们现在来给生命下一个定义的话，还有几个无法回避的问题。首先，我们所了解的生命仅仅是地球上存在的生命。一般来说，“生命的定义”不应该仅仅限定于地球上的生命，而应该是一个有关生命的普遍性的定义。所有宇宙生物共有的普遍性的特征究竟是什么，直到今天仍然是一个未知的问题。

其次，暂且不管地球之外的生命如何，至少地球上的生命会根据环境而不断变化（进化）。这也是给生命下定义的困难之处。就算现在我们找到了生命的普遍性特征，那也不过只是目前的特征。在遥远的未来，这些特征可能不再是生命的特征。因此，从这个意义上来说，给生命下一个普遍性的定义是一件非常艰难的工作。

生命体、台风、斑马的斑纹都基于相同原理产生

台风和我们人类都是一种耗散结构。可能许多人会纳闷，为什么台风和人类一样？耗散结构是什么结构？耗散究竟是什么？

为了更好地扩散热量而建立的结构

在物理学上，耗散是指动能、电能或化学能等能量转变为热能，向周围扩散的过程。例如，电线中有电流流过时，电阻就会发热，这也是耗散的一种。在发生耗散的过程中所形成的结构就是耗散结构。

贝纳德元胞（Benard cells）是最典型的耗散结构。从底部均匀加热液体，液体就会出现上下搅动的“对流”，最后形成蜂巢状的有序排列的六角形结构。每个六角形中央处（或者边沿）的液体力图上升，而边沿处（或者中央处）的液体则力图下降，呈现有规则的层流。

这样就形成了能把来自底部的热能高效地传输到上部的结构。与没有对流的静止的液体相比，形成有序排列的六角形对流模式则能更好地向外释放热能。因此，自然而然地就形成了这样的结构。这就是形成耗散结构的基本原理。

贝纳德元胞

图片为在硅油中加入铝粉所显示的对流图像。(图片提供：日本东京大学大气海洋研究所 三泽信彦）

没有能量的交换就无法形成耗散结构

台风也是耗散结构的一种。为了更好地耗散来自海洋的热能，从而形成了涡旋。此外，研究认为，斑马的斑纹等生物体表的条纹也是一种耗散结构。

通过贝纳德元胞、台风这些例子，我们了解到“从外界获取能量，再把能量以热的形式释放出去”的环境是形成耗散结构的先决条件。也就是说，必须是与外界有能量和物质交换的“开放的空间”(开放系统)。既能提供能量又能排放能量（耗散)，只有具备了这两个条件，才能形成有序排列的六角形或涡旋等结构。

生物从外界摄取营养，并将其转变为自身物质或维持生命活动所需的能量，并把所产生的热量排出体外（新陈代谢）。也就是说，生物体是一个开放系统。科学家认为，尽管生物的机体结构非常复杂，不像六角形或涡旋那么简单，但是，形成其结构（耗散结构）的基本原理是一样的。

在有序的耗散结构中，熵值较小。因为耗散结构是在与外界有能量和物质交换的“开放系统”中所形成的结构，因此不受熵增定律的限制。

耗散结构是一个“不断变化”的结构

就像耗散结构那样，自发形成有序结构的现象称为自组织现象。就像由一个受精卵发育成人类那样，形成了有序结构的生物就是一种典型的自组织现象。在自然界中，这种现象是大量存在的，例如原子有序排列形成的盐的结晶、水分子在高空结冰所形成的雪花等等。虽然它们都是自组织现象的典型例子，不过却是一种与耗散结构不同的结构。

盐的结晶与雪花是一种静态结构，当物理性撞击或温度变化导致其结构被破坏时，不能自发修复。耗散结构则是一种只要不断与外界交换物质和能量就能维持的动态结构。耗散结构是解释贝纳德元胞、台风以及生物体的“自我修复现象”和“有规则的自发运动”等现象的普遍机制。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）