從熱力學第二定律的角度論述生命活動的本質

李若晨

摘要：熱力學第二定律是熱力學的基本定律之一，是指熱永遠都只能由熱處轉到冷處（在自然狀態下）。它是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。所進行的不可逆過程的初態和終態之間有著重大的差異，這種差異決定了過程的方向，人們就用態函數熵來描述這個差異。從宏觀來看生命（正常死亡的生命）過程就是一個熵增的過程，始態是生命的產生，終態是生命的結束，這個過程是一個自發的、單向的不可逆過程。結合生活中一些現象引發的思考，簡要分析闡述了熱力學第二定律與生命活動的關系。

關鍵詞：熱力學，熱力學第二定律， 熵，與生命活動的關系

引言：熱力學第二定律是人們在生活實踐，生產實踐和科學實驗的經驗總結，它們既不涉及物質的微觀結構，也不能用數學加以推導和證明。宇宙萬物的一切變化都在熱力學的掌控之中，包括兩種形式的能量之間的轉化，物體與物體之間熱量的傳遞，做功與能量的轉變。熱力學第二定律是所有物理定律的基礎，因為它界定了一切變化的方向，也包括生命本質既時間流向。

一、熱力學第二定律

熱力學第二定律（second law of thermodynamics），熱力學基本定律之一，其表述為：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，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，一個孤立系統的總混亂度（即“熵”）不會減小。

1824年，法國工程師薩迪·卡諾提出了卡諾定理。德國人克勞修斯（Rudolph Clausius）和英國人開爾文（Lord Kelvin）在熱力學第一定律建立以后重新審查了卡諾定理，意識到卡諾定理必須依據一個新的定理，即熱力學第二定律。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的。

但是，違背熱力學第二定律的永動機稱為第二類永動機。

二、熱力學第二定律與物種進化的關系

生命系統是一種特殊的結構，在其內部及其與環境之間發生著不間斷的物質、能量和信息的交換，物質的傳遞和信息的傳遞都必然伴隨著熱量的傳遞。

從統計物理學的觀點來看，熵是系統中微觀粒子無規則運動的混亂程度的量度，系統內部的分子、原子運動越是混亂無序，熵的值就越大。一個孤立系統中的不可逆過程總是自發從非平衡狀態趨向平衡態，總是朝著混亂度增加的方向進行的，即孤立系的熵永不減少，總是單調地增加至極大值。這就是物理學中著名的“熵增加原理”。

熱力學第二定律使基本粒子的軌跡產生差異，從宏觀上講使得熵值在自發的反應中不斷加大。事實上，熱力學第二定律是相對分裂的結果，相對分裂會使相同的東西出現差異，因此簡單的狀態會越來越復雜，聚集的粒子逐漸分開形成新的粒子，導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化的本質。

三、熱力學第二定律與個體生命的關系

人不斷地新陳代謝，不斷地產生熵，為了不使生命趨于平衡態，為了擺脫死亡，就必須不斷地從環境中吸取“負熵”以避免熵的持續增長，避免自己衰變。在“負熵”的驅動下，生命成為一種有規律、有秩序的運動。歸根結底，負熵的來源是太陽，由此可以估計地球上能養活的人口應有一個上限。

由熱力學第二定律可知：一切的變化都是整體時間的增加和個體時間之間的傳遞。那么在變化時，整體流逝掉的時間必然是增加的，而個體時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間傳遞給老年的自己而使自己的年齡增長。所以從這個角度，我們給出了生命逐漸衰老這一過程的解釋。

普里戈金認為生命系統之所以是一個具有自組織、自我調節控制能力的耗散結構，正是因為它是開放的、非平衡的、各構成要素處于協同作用的相干狀態，具有非線性反饋機制并存在著導致有序化的漲落。生命系統正是在耗散能量的新陳代謝過程中完成了生命的有序進程。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、生物進化、胚胎發育、信息傳遞以及癌癥發生和防治方面都顯示出越來越廣闊的應用前景。

四、從熱力學第二定律的角度探討時間旅行的可行性

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

我們再考慮一下正向旅行，也就是前往未來。這個其實愛因斯坦已經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，快速旅行人的時間相對于地球的時間流速變慢，當旅行者返回地球時，就相當于穿越到了未來。這個雖說技術上還是不可行的，但是理論上是的確可行的，且這種方式沒有違背熱力學第二定律，這同樣是一種熵增過程。

總結

從宏觀來看生命（正常死亡的生命）過程就是一個熵增的過程，始態是生命的產生，終態是生命的結束，這個過程是一個自發的、單向的不可逆過程。而這個過程中，生命體通過攝入負熵來抵抗熵增，但是最終也都由于體內熵達到了一定的限度而使生命崩潰。

對于生命的本質，是一種走向毀滅的宿命，但是真正有價值的是走向衰亡中的過程。

熱力學第二定律不僅揭示了許多熱力學上的問題，同樣對其他學科的其他問題有著重要的意義。熵，是在熱力學中提出的概念，經過科學的不斷發展，我們發現，其實“熵”是一個十分宏觀的概念——混沌。自然界中一切過程具有方向性的原因，同時也給時間的研究帶來了一些啟迪。熱力學第二定律的意義已經遠遠超出了熱力學的范圍，用熱力學第二定律解釋生命活動的本質則是一個非常有趣的過程，不僅加深了我們對這條定律的理解，同時也讓人看到了科學的美妙之處。

參考文獻：

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

[2]《大學物理學﹒熱學》2000年8月版 張三慧 著 清華大學出版社

[3]科學出版社曹兆烈《熱學 熱力學與統計物理》

[4]《生命與熵》

[5]《工程熱力學》第5版 沈維道，童鈞耕主編 高等教育出版社