问题

既然宇宙是熵增的,那为什么会出现人类,为什么会出现生命?

回答
这是一个绝妙的问题,直击了我们对宇宙宏大叙事与个体存在之间最核心的矛盾。很多人一听到“熵增”这个词,就觉得整个宇宙注定走向一片死寂,生命的存在简直是“违背”了宇宙的基本法则,是奇迹中的奇迹。

其实,“宇宙是熵增的”这句话,虽然是物理学中最基础、最普适的原理之一,但它并没有像我们直觉上理解的那样,是生命出现的“终结者”。恰恰相反, 熵增,在某种意义上,恰恰是生命能够出现的,并且能以我们熟悉的形式存在的驱动力之一。

我们先得把“熵增”这个概念掰开了揉碎了说清楚,才能理解它和生命的关系。

熵增:宇宙的“浪费”与“扩散”

熵,简单来说,可以理解为一种“无序度”、“混乱度”,或者说是“能量的不可用程度”。热力学第二定律(也就是熵增定律)告诉我们,在一个孤立的系统里,熵总是趋向于增加。什么叫孤立系统?就是不和外界有任何能量或物质交换的系统。

想象一下,你把一杯热水放在空气中。热量会自然而然地从热水传递到周围较冷的空气中,直到水和空气的温度大致相同。在这个过程中,热量从集中(在水中)变得分散(散布到空气中)。水的温度下降了,空气的温度升高了,但总体来说,能量变得更加“平均”了,不再那么“集中”可用了。这就是熵增。

再比如,你打碎了一个花瓶。碎片只会随机地散落到地面上,你永远也看不到这些碎片自己重新组合起来,变成一个完整花瓶的景象。这是物质的无序度在增加。

所以,“宇宙是熵增的”意味着,从整体上看,宇宙的能量正在从集中的、可用的状态,逐渐变得分散的、不可用的状态。能量的“品质”在下降,可做的“功”在减少。 宇宙终极的命运,在许多科学家的设想中,是走向一个“热寂”状态,在那里,所有物质和能量都均匀分布,温度极低,没有任何可供驱动变化的能量差,一切活动都将停止。

生命:逆熵而行,但并非“违背”

现在,我们来看生命。生命,尤其是像人类这样复杂的生命,是何其“有序”!我们的身体有精密的组织、器官,有遗传信息,有稳定的结构,有持续进行的各种生命活动。从“无序度”的角度看,生命似乎是熵减的,是朝着更加有序的方向发展的。

这看起来就和熵增定律“打架”了。但这里有一个关键点: 生命体,包括人类,都不是孤立系统。

生命是“开放系统”。我们不断地从外界获取能量和物质,然后又将“废弃物”和“低品质”的能量排回环境。

我们吃饭、喝水: 这是在从外界摄取有序的物质和能量。植物通过光合作用将太阳能转化为化学能(储存在有机物中),我们吃植物或吃吃植物的动物,就把这种能量和物质的有序性转移到了自己体内。
我们呼吸: 我们摄入氧气,排出二氧化碳。
我们排泄: 我们将体内代谢产生的废弃物排出体外。
我们散热: 我们身体会产生热量,并通过辐射、蒸发等方式将热量排入周围环境,维持体温。

关键在于,生命体在维持自身“有序”的过程中,是以“牺牲”更大的“无序”为代价的。

想象一下,生命就像一个在河流中艰难前行的船。河流整体上是从高处流向低处,这是熵增的趋势。船在河流中逆流而上(这里的“逆流”比喻生命在维持自身有序性),它需要不断地消耗燃料(能量),产生废气(高熵物质),并且船本身在河流中晃动,也不是绝对静止的。但船的“生命”和“目的地”的达成,恰恰是依赖于河流整体的流动(熵增)才能实现的。

具体来说:

1. 能量流动是驱动力: 生命需要持续的能量输入来维持自身的结构和活动。而能量的输入,通常来自于高能态物质向低能态物质的转化,这是一个熵增的过程。比如,太阳的光和热,是恒星燃烧核燃料(高能态)后向外辐射能量(低能态)的结果。地球上的生命,很大程度上就是直接或间接地利用太阳能。当太阳能被生命体吸收利用后,它就转化成了生命活动所需的化学能,但整体的能量“分散”和“无用化”的趋势并没有改变。
2. 熵增的“废热”与“废品”: 生命体在进行各种生化反应时,并不是100%高效的。总会有能量以热量的形式散失到环境中,总会有一些代谢产物是无用的。这些散失的热量、排放的废物,都是系统(生命体+环境)整体熵增加的表现。 生命体之所以能保持自身的有序,就是通过向环境中排放更多的无序(热量、废物),来抵消自身内部的“局部熵减”。
3. 结构与信息的产生: 有序结构(比如DNA、蛋白质)和复杂信息(比如基因组、神经信号)的产生,需要能量和物质的输入,并且在这个过程中,会有大量的“废热”产生,或者将更无序的物质转化为低熵的结构。但这是一个局部现象。你可以把生命看作是一个“局部熵减”的区域,但这个区域的维持,必然伴随着一个更大的“局部熵增”区域的出现(即环境)。

所以,生命不是“违背”了熵增,而是“利用”了熵增。 宇宙整体的熵增,创造了巨大的能量梯度和物质分布不均,这些不均就为生命提供了“能量来源”和“物质基础”。

为什么会出现生命?——偶然性与必然性的交织

那么,为什么是生命,而不是其他形式的“局部有序”呢?这就涉及到生命起源的复杂性了。

化学演化: 在早期地球,存在着简单的无机物,并且有能量输入(闪电、火山活动、紫外线)。在这些条件下,可以发生复杂的化学反应,生成更复杂的有机分子,比如氨基酸、核苷酸。
自组织: 一些分子具有自组织的能力,能够形成更复杂的结构。比如,脂质分子在水中可以自发形成脂质双层,这是细胞膜的雏形。
复制与变异: 当出现能够自我复制的分子(比如RNA)时,就为进化奠定了基础。复制过程中会有错误(变异),而环境会“选择”那些更有利于生存和繁殖的变异。
选择与进化: 经过漫长的时间,通过自然选择,生命逐渐变得越来越复杂,越来越适应环境。

从熵增的角度看,生命的出现,可以被理解为在宇宙巨大的能量驱动下,物质系统在某些特定条件下,涌现出的一种极端复杂的“自组织”现象。 就像水在特定温度下会结冰,水蒸气在特定条件下会凝结成水珠一样,生命可以看作是物质在宇宙大环境中,在遵循物理化学规律的前提下,偶然(或者说在某些条件下是必然)的一种组织形式。

人类的出现,更是漫长演化过程中“偶然”与“必然”交织的产物。

行星环境的“恰到好处”: 地球拥有液态水、适宜的温度、大气层、磁场等,这些条件为生命的孕育和演化提供了舞台。
漫长的演化史: 从最简单的单细胞生物到今天的我们,生命经历了数十亿年的演化。每一次的演化,都是对环境的一种“试探”和“适应”。
偶然的事件: 比如,生物大灭绝事件,虽然看似是灾难,但却为新兴物种的崛起提供了机会。某些基因突变,也可能带来巨大的优势。

所以,生命(包括人类)的出现,并非“否定”了熵增,而是“在”熵增的宏大背景下,利用了宇宙中的能量梯度和物质分布,通过复杂的化学反应、自组织、复制、变异和选择,涌现出的一种高度有序的、信息处理的系统。

简单来说,宇宙的大趋势是“散”,但生命是一种“聚”。这种“聚”需要持续不断地消耗来自“散”的能量,并且以向“散”释放更多的“废弃物”为代价。生命就像宇宙中的一个“小小的、临时的、极度有序的漩涡”,它从整体的“能量流”中汲取能量,维持自己的运转,同时又将“搅动”后的“浑水”(废热、废物)排回整体的河流中。

所以,不用把熵增看作是生命的“敌人”。它更像是一种“环境”或“背景”。有了这种“背景”和“环境”,才有可能产生那些能够利用它并在此环境中生存下来的“小小的、有序的例外”。而我们人类,恰恰是那个最复杂、最能够理解和利用这些基本规律的“例外”之一。

网友意见

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有熵增就会在有熵减,宇宙的熵增,体现在内部物质总熵增大于内部物质总熵减。

我们的宇宙实际还相当的年轻,氢原子数量占据宇宙原子总数的90%,比起中晚期的宇宙还足够的低熵。

大量的氢汇聚成恒星,并发生聚变,引力坍缩和恒星“燃烧”是当前宇宙熵增的主要来源。

宇宙中的星系或行星,不存在绝对的孤立系统。地球总是会接受到来自宇宙中的各种熵流,又以太阳带来的熵流为主。

而地球上的热量总是向宇宙中辐射,形成较稳定的负熵流。

  • 太阳辐射大量光子,熵流向地球,地球熵增。
  • 地球的熵大于外界,熵流向外界,地球熵减。

地球在动态稳定中,整个地球系统长期处于熵平衡中。

  • 也就是说,地球的秩序处在一定程度的,相对有序和相对无序之间互相转变的动态平衡。

例如四季的熵增、熵减;昼夜的熵增、熵减;陆川河海的熵增、熵减……

以河流举例,阳光带来的能量令水汽化,熵增。水汽上升、再遇冷转化成水,又是熵减。虽然水从山上流下,重力势能转化成动能再到热能,再次熵增。但水的热能会向外辐射,这又出现熵减。

负熵流,令地球保持稳定的熵循环,维持着相对稳定的秩序。对于热平衡的地球来说,太阳带来的熵增有多大,地球的负熵流就有多强。

地球中的负熵流是那么的恰到好处,适宜的温度足可令碳与足够多的元素结合,又不至于热量太高而断裂。

源源不断的负熵流,可维持有机小分子的有序结构,但负熵流又是流动循环,这就造成了有序小分子生命的有限。

一些有机小分子互相结合在一起,成为有机大分子,获得了竞争更多负熵流的能力之后,便能存在更长的时间。

这些有机大分子复制出来的复制品,同样也能存在更长的时间。有机小分子很快就被寿命更长且有复制能力的有机大小分子所代替。

后来这些有机大分子在竞争负熵流的过程中,变得越来越复杂,最后出现细胞膜。

最终,真正的生命诞生了。

它们因负熵而生。

生命作为高度有序化的耗散结构,只有不停地食用负熵,才能维持自身秩序。

原始的微生物或者植物,其负熵流通常直接来源于太阳或海底热泉与环境的热能差。

当动物出现以后,则是直接食用低熵的生命体,然后排泄高熵的食物残渣,来获得更高的负熵效率。

然而整个地球,负熵流是有限的,且不停地周期变化。

这就让植物所能食用的负熵是相对有限的,动物能摄入的植物负熵,自然也是有限的。

为了获得足够多的负熵,动物之间互相竞争。最终,获得更多负熵的动物生存了下来。

要获得更多负熵,要么依靠繁殖能力,要么依靠战斗或防御能力。

这样动物就朝着不同的繁殖和生存策略进化了。

随着海洋生物量达到饱和,负熵流竞争空前残酷,动植物的登陆是为必然。

陆地负熵流也是有限的,在不断竞争的过程中,生存下来的生物,自然是拥有更强负熵流竞争力。

个体竞争负熵流,往往没有种群协作的竞争力强。

当动物拥有复杂生存技巧,或更多、更精细的协作后,智慧出现几乎是必然。

只不过受限于身体结构,智慧会存在一定的天花板。

人类脑容量在200万年前爆发,智慧有远高于其他动物的天花板,其实是存在一定巧合可能性的。

青藏高原的隆起,令非洲气候恶劣化。

我们的祖先必须和其他动物残酷竞争少量的负熵流,反而令我们快速演化。

而我们祖先晚期的树栖生活,才有了后来下地解放双手的基础。

总的来说,我们可以认为不同的物种体内有着各自的有序结构,不同的竞争环境,令这些有序结构有着不用方向进化的潜力。

不过生命的脆弱在于,获得的负熵流不能太高也不能太低,只能保持在一个合适的区间。这个区间目前看来是如此的狭窄,乃至于当前可知的,只有地球才有确切的生命。

对于生命这种靠负熵为食而繁衍生息的耗散结构,没有适宜的负熵流,便不会出现。

但没有太阳的熵流,就没有地球的负熵循环。

当宇宙中的氢全部聚变,整个宇宙的熵流会降低90%,局部系统的负熵循环也会减弱90%。

如那时还有生命,生存竞争会变得空前的激烈。

负熵循环为零时,便迎来了热寂时代。

然而,人类连宇宙是否真正的孤立系统,也完全没有弄明白。

最后做一个脑洞问题:

如果有两个(或多个)奇点在距离地球相对于一光年距离的比例尺度,两地开花,形成两个宇宙,其中一个是我们的宇宙,它们互相之间有人类目前无法察觉的微弱影响因素。那么等到人类发现影响因素以后,当前的物理大厦又会如何呢?

19世纪末,物理学家都认为物理理论,都相当的完美,不会再有什么新的发现,直到量子力学和广义相对论的发现。

是的,热寂只是一种可能的结局。

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可以用猴子写《莎士比亚》的经典例子来说明,给猴子一台不会坏的打字机,让它随机输入,如果时间不限,能否打出《莎士比亚》,从概率上说,只要时间足够久,就一定会,虽然概率极小。

猴子随机敲击键盘,就相当于熵增加了,但是随着猴子不断的敲击,《莎士比亚》出现的概率也越来越高了,所以随着熵的增加,负熵出现的概率也越来越高了,不矛盾。

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这个问题当年的大佬们都问过了,玻尔兹曼也都回答过了。

要知道当初热力学第二定律那可是“人民公敌”,麦克斯韦反对,麦克斯韦妖就是为了反对这个提出来的,马赫反对,是由他的弟子奥斯特瓦尔德出面的,不但自然科学界反对,就连社会科学也来凑热闹,他们称热力学第二定律是“罪恶的渊薮”。

不过其中最狠的还是洛施密特,洛施密特指出如果对符合具有时间反演性动力学规律的微观粒子进行反演,那么系统将产生熵减的结果,这是明显有悖于熵增原理的。

在牛顿体系下,所有的动力学方程都是关于时间反演对称的。

打个比方吧,我们现在把伽利略在比萨斜塔上扔铁球的过程用摄像机录下来,我们会看到铁球速度会依照牛顿第二定律渐渐增加,现在我们反过来放这一段录像,会看到铁球速度依照牛顿第二定律逐渐减少,到了伽利略手中时速度变为零,不管录像是正着放还是倒着放,都是符合牛顿力学的,要是不提前告诉我们,我们根本就看不出来录像到底是正放还是倒放。

这就是动力学的时间反演性,不止牛顿力学,就是爱因斯坦的相对论也符合时间反演性。微观粒子也得符合动力学吧,符合动力学规律就得具有时间反演性,既然符合时间反演性,那么有熵增就会有熵减。

可是实际情况不是这样,我们现在来拍摄一下玻璃杯从桌子上落到地上摔碎的过程,现在再反过来放一下,即便是不用提前告诉,我们也可以轻松地判断出哪是正放哪是反放,这肯定是不符合时间反演的。

针对这一悖论,玻尔兹曼指出:熵增过程确实并非一个单调过程,但对于一个宏观系统,熵增出现的概率要比熵减要大得多;即使达到热平衡,熵也会围绕其最大值出现一定的涨落,且涨落幅度越大出现概率越小。

用玻尔兹曼的涨落理论就可以回答题主的问题了。

玻尔兹曼的涨落理论用一个人们耳熟能详的例子来解释,就是给一个猴子一台打字机,如果有足够长的时间,猴子也有可能写出莎士比亚全集,当然这种概率极小,但还是有可能的。

再来个例子吧。都说大河向东流,这就相当于熵增了,反正是趋势不可阻挡,可是在向东流的大河中总会有一个回旋吧,这几个回旋就是熵减,就可能创造出一个生态系统。

熵的涨落理论造就了我们这个秩序井然的低熵体世界,从一片混沌无序中有了地球,有了低熵体生命,对于生命产生的理论玻尔兹曼的解释比达尔文还要基本,因为物种起源都是建立在低熵世界上的。

熵的涨落理论还可以推出一个更有意思的东西,那就是玻尔兹曼大脑。玻尔兹曼大脑就是低熵的自我意识体,有点类似于阿西莫夫《基地》系列中的盖亚,整个星球就是一个意识体,不过盖亚和玻尔兹曼大脑还略有不同,盖亚是是由我们这样的生命体进化而成的,最象玻尔兹曼大脑的,应该是《银河护卫队2》中星爵的父亲。

玻尔兹曼大脑在宇宙中出现的概率要远大于我们这样的低熵体生命,看来在广袤的宇宙中,我们并不孤单,还有无数的玻尔兹曼大脑在注视着我们。

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