从热力学第二定律的角度论述生命活动的本质

李若晨

摘要：热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处（在自然状态下）。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异。从宏观来看生命（正常死亡的生命）过程就是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。结合生活中一些现象引发的思考，简要分析阐述了热力学第二定律与生命活动的关系。

关键词：热力学，热力学第二定律， 熵，与生命活动的关系

引言：热力学第二定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，它们既不涉及物质的微观结构，也不能用数学加以推导和证明。宇宙万物的一切变化都在热力学的掌控之中，包括两种形式的能量之间的转化，物体与物体之间热量的传递，做功与能量的转变。热力学第二定律是所有物理定律的基础，因为它界定了一切变化的方向，也包括生命本质既时间流向。

一、热力学第二定律

热力学第二定律（second law of thermodynamics），热力学基本定律之一，其表述为：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。

1824年，法国工程师萨迪·卡诺提出了卡诺定理。德国人克劳修斯（Rudolph Clausius）和英国人开尔文（Lord Kelvin）在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述在理念上是等价的。

但是，违背热力学第二定律的永动机称为第二类永动机。

二、热力学第二定律与物种进化的关系

生命系统是一种特殊的结构，在其内部及其与环境之间发生着不间断的物质、能量和信息的交换，物质的传递和信息的传递都必然伴随着热量的传递。

从统计物理学的观点来看，熵是系统中微观粒子无规则运动的混乱程度的量度，系统内部的分子、原子运动越是混乱无序，熵的值就越大。一个孤立系统中的不可逆过程总是自发从非平衡状态趋向平衡态，总是朝着混乱度增加的方向进行的，即孤立系的熵永不减少，总是单调地增加至极大值。这就是物理学中著名的“熵增加原理”。

热力学第二定律使基本粒子的轨迹产生差异，从宏观上讲使得熵值在自发的反应中不断加大。事实上，热力学第二定律是相对分裂的结果，相对分裂会使相同的东西出现差异，因此简单的状态会越来越复杂，聚集的粒子逐渐分开形成新的粒子，导致了原始的物种逐渐演变出新的物种。这里从微观角度阐释了物种进化的本质。

三、热力学第二定律与个体生命的关系

人不断地新陈代谢，不断地产生熵，为了不使生命趋于平衡态，为了摆脱死亡，就必须不断地从环境中吸取“负熵”以避免熵的持续增长，避免自己衰变。在“负熵”的驱动下，生命成为一种有规律、有秩序的运动。归根结底，负熵的来源是太阳，由此可以估计地球上能养活的人口应有一个上限。

由热力学第二定律可知：一切的变化都是整体时间的增加和个体时间之间的传递。那么在变化时，整体流逝掉的时间必然是增加的，而个体时间之间的差异在不断减小，所以年轻的生命必须把未来的时间传递给老年的自己而使自己的年龄增长。所以从这个角度，我们给出了生命逐渐衰老这一过程的解释。

普里戈金认为生命系统之所以是一个具有自组织、自我调节控制能力的耗散结构，正是因为它是开放的、非平衡的、各构成要素处于协同作用的相干状态，具有非线性反馈机制并存在着导致有序化的涨落。生命系统正是在耗散能量的新陈代谢过程中完成了生命的有序进程。普里戈金的这一理论在探索和解释各种生命过程如生命起源、生物进化、胚胎发育、信息传递以及癌症发生和防治方面都显示出越来越广阔的应用前景。

四、从热力学第二定律的角度探讨时间旅行的可行性

我们考虑一下逆向旅行，也就是回到过去。我们可以发现，我们不论采用什么方法，所有的活动都是在我们这个宇宙内部进行的，是无法回到过去的。既然是回到过去，我们就是要将整个宇宙调整到过去的某个时间点的状态。也就是说，要回到过去，我们首先要在宇宙这个大的封闭系统中进行活动，其次我们要将这个宇宙调整到过去的某个状态，从热力学第二定律的角度来看，我们的宇宙是一个孤立的系统，宇宙中所有发生的进程都是熵增的，不可逆的。所以沿着熵增方向的未来时间旅行是可行的，但是沿着熵减方向的过去时间旅行是不可行的，也就是说，我们不可能通过某种方式回到过去。

我们再考虑一下正向旅行，也就是前往未来。这个其实爱因斯坦已经给出了一种可行的方式，也就是以近光速的速度在宇宙中旅行，快速旅行人的时间相对于地球的时间流速变慢，当旅行者返回地球时，就相当于穿越到了未来。这个虽说技术上还是不可行的，但是理论上是的确可行的，且这种方式没有违背热力学第二定律，这同样是一种熵增过程。

总结

从宏观来看生命（正常死亡的生命）过程就是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。而这个过程中，生命体通过摄入负熵来抵抗熵增，但是最终也都由于体内熵达到了一定的限度而使生命崩溃。

对于生命的本质，是一种走向毁灭的宿命，但是真正有价值的是走向衰亡中的过程。

热力学第二定律不仅揭示了许多热力学上的问题，同样对其他学科的其他问题有着重要的意义。熵，是在热力学中提出的概念，经过科学的不断发展，我们发现，其实“熵”是一个十分宏观的概念——混沌。自然界中一切过程具有方向性的原因，同时也给时间的研究带来了一些启迪。热力学第二定律的意义已经远远超出了热力学的范围，用热力学第二定律解释生命活动的本质则是一个非常有趣的过程，不仅加深了我們对这条定律的理解，同时也让人看到了科学的美妙之处。

参考文献：

[1]《热力学第二定律与时间的神秘走向》2001年6月 宋建民 著《物理双月刊》

[2]《大学物理学﹒热学》2000年8月版 张三慧 著 清华大学出版社

[3]科学出版社曹兆烈《热学 热力学与统计物理》

[4]《生命与熵》

[5]《工程热力学》第5版 沈维道，童钧耕主编 高等教育出版社