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生命，就是在山脊上行走！
前情提要
我之前的一篇文章： ，我围绕着熵这个概念，聊了聊它大概的历史变革，从卡诺定理中对热力学过程方向性的暗示，到克劳修斯明确定义熵的概念，再到玻尔兹曼用统计物理学方法揭示了熵的微观实质，人们按照从表象到本质的经典探索模式完成了对熵的基本认知。但是，熵，对于我们的意义远不止用于衡量一个体系的混乱度，因为它的对立面是“有序”，而正是人类对无序和有序这个问题所作的思考，又成就了后续许多精彩绝伦而影响深远的理论和思想！今天，咱们从玻尔兹曼熵理论的余波开始，跟我踏上一段天马行空的胡思乱想之旅。【预警：文章原本总共11171字，现在拆成了上下两部分仍然很长，请耐心】
信息即负熵
玻尔兹曼熵理论的第一个直接影响，非香农的“信息论”莫属，这个理论的基石就是认为“信息，即负熵！”，但这部分内容并非今天的重点，为了不喧宾夺主，我还是推荐大家去看我之前的制作的 这个视频，在里面我通过一个“你说我猜”的游戏，详细的说明了信息是负熵的原理，感兴趣的朋友一定记得观看，相信我，比看文章更轻松愉快！但如果您对信息和熵这事比较感兴趣，可以阅读下面这段扩展内容。
扩展阅读1：麦克斯韦妖的故事
人们对信息本质的认识，也帮助澄清了一个近百年前的物理学难题，那就是被誉为物理学四大神兽之一的“麦克斯韦妖”问题。当时麦克斯韦正研究处在热平衡态的气体分子，在不同速度区间内的数量分布的问题。于是他便思考了这样一种情况，有一个绝热的密闭容器内，密封了一定量的气体，中间有个隔板，隔板上有个小门，若存在有一个聪明的小怪物，能够识别气体分子速度的快慢并控制这个小门的开闭，而且这个小门如此之小，开闭过程并不消耗能量，那么他就可以有选择的开启和关闭小门，从而把运动速度快的分子和速度慢的分子给区分开来，分别集中到两个区域。
麦克斯韦妖的假想图，右侧蓝色分子速度低，左侧红色速度高
因为微观粒子的运动速度就代表了宏观的温度，那么最初这个容器中热平衡的状态（温度一致），就会因为小妖精的存在，“自动”分成两个温度不一致的区域（上图中红色温度高，平均速度高；蓝色温度低，平均速度低），从熵的角度来讲，这个绝热系统的熵“自发”的从高变低了，也就是熵减少了！这显然与热力学第二定律相抵触！
后来，人们才知道，信息意味着负熵，虽然这个小妖精并没有像容器注入额外的能量，但是他能够区分每一个分子的速度的快慢，其实就相当于他掌握了分子速度的信息！它通过这个信息来有目的的操纵小门开启和关闭，其实就是在向这个绝热系统注入负熵！这才是让容器内气体熵自发减少的原因！
上面这段内容，恰好适合用来说明熵的微观定义，因此我临时决定补充在这儿，希望能帮助大家更好的思考熵。下面咱回到本文主线，即熵的思想到底对生命从零到一这个过程有什么启发呢？
薛定谔的生命观
最早把生命这事和熵扯上关系，差不多还就是薛定谔老先生。在二战爆发后，他的家乡奥地利被德国占领了，于是就被迫转移到爱尔兰的都柏林避难，在都柏林高级研究员任职，这段时间里他曾经举办过一个系列讲座，向公众讲解他从物理学的角度对生命起源和生命特性的思考。这些内容后来被集结成册，编成了我们熟知的那本《生命是什么》。
笔者手里的那本《生命是什么》
这部书里讲了不少内容，20世纪很多生物学大发现最初都是受这本书的启发，咱这里之说与主题有关的，那就是薛定谔认为，生命是一个复杂而有序的系统，这个系统本身的熵值并不高，换句话说就是有序度高。但是周围环境的熵值高啊，那么生命体如何保持自身的熵不被大环境所同化呢？他认为：生命必须是一个开放系统，与外界持续进行能量和物质的交换！就是说生命必须要不断地从外界摄取负熵流，从而抵消自身的熵增，从而让身体整体的熵值维持在一个较低的状态。
划重点：开放系统，复杂但有序（低熵），摄取能量与物质
现在你仔细想想，他的描述是不是还真挺有道理的？你看，我们身体结构超级复杂，但是数以万亿计的细胞却一种难以想象的精确程度，严密的配合工作着，很多地方差一点点都会要人命，所以生命复杂却不混乱；我们活着就要吃喝拉撒，就要呼吸，这都是在与外界进行能量和物质交换；当我们死去，身体的所有代谢都停止了，人就不再和外界进行任何交换，因此“尸体”就会迅速的腐坏、分解，然后变得和自然界里一块土地、一块石头没有什么区别了，这就相当于达到了一种混乱度高的高熵值状态（与外界熵值趋于一致）。
可见，生命的过程就是不断与外界抗争，保持自身这种低熵、高有序的状态，这种状态显然是远离热平衡态的（因为在玻尔兹曼看来，热平衡状态的熵最大），所以，有人说，生命就是在山脊上行走！
生命，在山脊上行走
大家注意到了，在这咱们强调了一个说法，就是
远离热平衡态。因为热平衡，意味着熵值高，也就意味着混乱无秩序。这虽然是最稳定的状态，但是就如同一潭死水一样，看不到一丝生气。怪不得十九世纪热力学把它叫做“热寂”，热寂就是一个全宇宙范围的终极平衡态，太可怕了。下面这一部分，是我的一点小思考，内容上虽然和熵有密切关系，但是跳过也无大碍，是属于用熵的观点来讨论人类社会结构的变迁，权当和大家交流了。字多图少，不爱读的话可以直接跳到下一节。
扩展阅读2：人类社会的启示
现在稍微轻松一下，咱们考虑一个看似与物理无关的问题，这也是我曾经一直在思考的一个问题，那就是几乎所有发展的不错的人类文明为什么都早早的走出了绝对平均主义的原始社会，而几乎没有没有例外的选择进入极端不平等、充满压迫和剥削的奴隶社会，进而是等级制度更加复杂和森严的封建社会呢？难道人类喜欢被鞭子抽吗？
对于这个问题，我不完全认同之前政治教科书的上的说法，就是什么为了生产力的发展，必须有更加适合的生产关系出现，绝对平均的大锅饭没有效率云云，有道理，但不能完全说服我，因为它就像热力学之于统计物理学一样，这个解释充其量算是个唯象理论，并不能告诉你这种对生产力的需求是如何作用到每个人身上的，以至于让大部分人甘愿放弃平均主义而当奴隶，还要让少数人骑脖子上抽自己，我无论如何都想不出来为什么。
之前对这个问题，我是从偶然性上去考虑的（用统计物理术语来说，类似涨落的概念）：某些人，偶然间获得了比别人更多的猎物或者财富，比如三个人去打猎，其中一个死了，那幸存的俩人可能因为很饿或者家里还有小孩就把死者那部分均分了，但是并不会回去告诉族人，这样他俩就能比别人吃的饱一些，家人能过得稍微好一些，但是这种东西，会上瘾的！以后他俩可能就无法拒绝这种不平等，因为它不仅让他们吃的更饱了一点，也让他们获得了一种优越感，这哥俩想保持这种优越感的想法是毋庸置疑的，这是人性！人性的自私如果打开了，就如同决堤一样，没有外力几乎是收不住的。所以他们会想尽办法去保持和扩大这种不平等，然后就会破坏绝对平均状态，进而产生阶级和压迫！
但是在这，我想和大家用热力学或者统计物理的观点去看待这个过程，你会如何分析呢？在我看来，绝对平均是一个熵最大的社会状态，因为它没有复杂结构，最无序；而有阶级、有分工和有压迫的社会是一个复杂的社会状态，它更加复杂有序，熵值也更低。如果你觉得这些都是合理的，那么人类社会的演变告诉我们，社会是会从一个高熵状态自发的转变为低熵状态呀！那你马上就会嗅出味道不对，这不可能，除非有负熵注入其中！那到底有没有？
还真有！整个社会里的每个人从大自然获取的食物、空气和水都是可以利用的负熵，这些可以维持社会中的每个成员的生存，但这并不足以促成社会结构从绝对平均的原始社会转变为更复杂的社会形态，因为原始人组成的平等社会也可以生存。
我认为，恰恰是那两个贪婪的原始人私吞猎物而没有告诉族人这件事，才是促成变革的关键信息，别忘了信息也是负熵啊。在这个负熵（信息不对等、贪婪、欺骗，我们俗称人性的恶）的持续作用下，社会结构才产生了不平均，产生了阶级，产生了复杂秩序，而这个秩序意味着什么？是社会出现阶层，出现了分工，分工又意味着生产率提高，意味着平均每个成员可以从大自然获取更多的生存所需要的能量（负熵），同时这种阶层不平等也同样会影响着劳动成果分配的不平等，少数的人占用了更多的劳动成果，虽然大部分底层奴隶分到的食物可能并不比原始社会时候多多少，但是从整个社会的总量来看，产出的劳动成果比原始社会时多出了很多。这些资源继续被奴隶主占有，可以自由分配，可以养更多不用劳动的闲人，这些闲人干啥呢？当军师呗，给奴隶主出谋划策，如何想办法立个法呀，编个宗教故事啦，总之就要让奴隶们相信，自己生来就是当牛做马的，从心里接受并维护这种不平等和社会阶层划分！
那么，就形成了一个正反馈的机制，更加强了社会结构向不平均演化的趋势，社会就会继续趋向形成更加复杂的结构，更复杂结构带来了更细致的分工，产生了专门的研究人员，于是催生了更先进的技术，进一步提高生产力，然后周而复始迭代进行，社会的结构就变得像今天一样复杂了。
逆天而行的生命演化过程
前面说完薛定谔对的生命的看法，又总结了人类社会从平均到不平均的自发演变这个事实，接下来我们继续看一个更普遍的反熵增事实：生物的演化。
这里需要区分一下，前面薛定谔的设想是关注生命个体本身，这一节咱讨论的是生物这个大群体
现在我们普遍接受的是自然选择理论，最初由达尔文（当然还有华莱士）建立，后来与现代遗传学和分子生物学结合，成为了一个经得起推敲的科学假说，它或许并不是一个完美的理论，但却是目前解释生物演化最站得住脚的理论。
纵观生物的演化历程，虽然总是听到“演化是没有方向性的“说法，但是我们却能明显看到生物变得越来越复杂，而不是越来越简单。为什么？其实这是在说演化过程是没有一个预期指导的，是探索性的，探索出什么样子什么机构谁也不知道，是自然来完成选择，但是这并不妨碍我们可以从中观察并总结出它的趋势。
生命演化时间轴
从30亿年前就出现的蓝藻这类简单的单细胞生物，到约6.8亿年前的所谓“前寒武纪”（确切说叫埃迪卡拉纪）出现一些简单多细胞生物（但这些多细胞生物真的就是细胞比较多，并没有什么功能的分化，而是细胞的堆积和重复）；然后再到寒武纪的“生命大爆发”，生命的结构设计突然开启了头脑风暴，不仅凑齐了所有“门”一级生物，而且还出现了一些结构上匪夷所思且昙花一现的怪物，如怪诞虫啊，奇虾什么的；再到奥陶纪之后，植物和动物完成了身体结构的一系列改造，陆续从海洋登上陆地，它们变得更复杂且强大；再到石炭纪，昆虫第一次演化出翅膀，称霸天空，整个生物系统在看似随机的变异与自然选择作用下，复杂性却变得越来越高了。
通过以上的回顾，你能发现什么？复杂度提高，有序程度提高，这似乎又和宇宙的大环境不一样啊！为什么生命的演化能够逆天而行呢？我再说的直白一点，45亿年前那个如地狱般的熔岩地球，还在遵守着宇宙的铁律，熵增，但是为什么在十几亿年后，会自发的产生一种逆着熵增而发展的生物系统呢？不奇怪吗？
当然奇怪！但是进化论显然无法从更深的层次上去解释这个问题，它只能在生物这个领域内提供一个尽可能详尽和多角度的演化图谱让我们越来越清晰的看到这个过程，但是第一个生命是怎么来的，以及生命为什么可以逆着熵增而发展，这显然是进化论或者所有生物学理论都无法解释的事情。
而且这种矛盾，也正是生物与物理这两门学科，各自独立发展了一个多世纪的症结所在！生物学解释生物，物理学解释世界，井水不犯河水，两个领域的研究者虽然心里明白，但是都在小心翼翼的避开这个矛盾！与各自领域内的辉煌成就相比，探索物理与生物领域融合的成就少了许多，咱们在这里仅和大家说说尝试融合两门学科过程中所做的尝试和发现。
探索生命的起源
第一个要说的还是前面提到的薛定谔。除了宗教和神学家，他是第一位系统的、认真的论述这个问题的科学家，后面科学家其实或多或少都受到了他的思想的启发。
接下来是米勒实验 ，这是一个试图解释原始地球上的生命如何从0到1的实验，但是最后只能解释如何从0到0.01。
米勒和尤里首先推测并假设了原始大气成分和大气状态（如雷鸣闪电），用几种无机物混合物得到了20种有机化合物，产物中11种氨基酸中有4种是生物的蛋白质所含有的，因此据此推测，早期地球的条件，可以自发的生成组成蛋白质的原料，也就是说为以后合成蛋白质提供了可能。这个实验至少能够确信的是：自然界从无机物中产生有机物，并不是什么难事，组成生命的基石看起来也并不需要神的参与，这些听起来似乎很振奋是吧。
但是我要泼冷水了，米勒实验以及之后进行的各种尝试表明，不论怎么折腾，并不能生成对于生命而言更为关键的遗传物质，也就是DNA或者RNA都没发现！我们都知道对于一幢摩天大楼来说，你有多少块砖头并不重要，重要的是要有一个完整的设计施工图，而对于生命这座大厦来说，缺的恰恰是这份施工图，而且目前来看，施工图是无法从无到有自然产生的。（还是为神创论留了后门）
所以，我们还需要想别的办法。这些办法可能来自于实验，当然也可能来自于理论……（待续）
本文下半部分在此：
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