生物物理学论文
但在某些理论中,我们会得到相反的东西,比如所谓的熵增原理。按照它解释的规律,生命乃至整个宇宙最终都会消亡。那么熵是什么呢?
熵虽然是物理学中非常著名的一个术语,但实际上并不是一种实质性的物质。在大多数情况下,它是一个概念性的度量,用来描述一个特定系统的状态,尤其是组成这个系统的物质的状态变化。
因为我们的社会也是一个人造系统,有些研究还把熵的概念应用到社会学中来解释它的运行。
就熵的概念本身而言,它所描述的与能量的变化有关。更准确地说,它是一个用来衡量能量下降程度的参数。它是由德国的一位物理学家首先提出的。自19世纪中叶以来,熵被广泛应用于各个领域,尤其是与能量直接相关的学科,如热力学。
然而,与大多数物理量不同的是,对熵本质的解释要比应用晚得多。
大家都在自由使用,但如果要问这是关于什么样的物质或现象,很少有明确准确的定义。直到现代物理学的发展,才慢慢弄清楚它的本质。用一句话来说,熵描述了一个特定系统有多混乱。
乍一看,似乎还是很混乱。怎么会有一个物理量来描述混乱的程度?
直观上,科学描述一个现象的目的是为了使它尽可能准确,找到规律和秩序,所有处于混沌状态、无法计算和组织的现象都不再属于科学描述的范围,而熵打破了这个规律。让我们回到最早提出这个概念的科学家,即克劳修斯。
1850年,这位物理学家发表了一篇著名的文章,题为《论热的力量以及可以从中推导出的热本身的定律》。在这篇具有里程碑意义的文章中,他提出了一个重要的见解,即当我们的环境中发生做功的活动并从中产生热量时,同样数量的热量将在其他物质变化中消耗,反之亦然。
这种描述似乎是把我们所处的系统看成一个总热量不变的整体,有些活动看似产生了新的能量,但实际上只是从系统的某个地方移动了能量。
换句话说,能源不是孙悟空。它能从石头里跳出来。我们要么从现有的材料中获取,要么将现成的能量从一个地方转移到另一个地方。所谓的制作过程,技术含量不高,也不是真正的制作。
当然,克劳修斯的论文中还有第二个非常重要的论点,即要使热能从温度较低的物体上升到温度较高的物体,必须通过特定的功和能量消耗来完成。
这就是热力学第二定律的雏形,也就是我们直观说的。在自然状态下,温度只能从高温转移到低温,而不能从低温转移到高温。如果要反过来做,这个过程必须人为干预。
但是这里还有一个问题,就是在力学中,这样的能量运动原则上是可逆的。如何解释两者的矛盾?
克劳修斯的做法是先独立定义这种现象,然后为其指定一个新的物理量。在那篇经典论文发表后的第十年,克劳修斯为这种现象创造了一个新名字,即熵。
同时,他把做功产生热量的过程称为正转化,而热量变得成功的相反过程称为负转化。
前者可以在自然状态下发生,但后者可以通过积极的转化来实现。也就是说,如果热要转化为功的形式,就需要另一个功的活动,用这个活动产生的热推动上面的热来实现功的转化。
这就好比说,我们在下坡骑行的时候不需要外界的帮助,但是在上坡的时候,我们要努力。如果我们没有足够的力量,我们不得不请另一个人来帮助我们。这个多出来的人造成的额外消耗就是熵。
在这个观察的基础上,克劳修斯又描述了这个定律,即在这个负转换活动中,熵肯定会产生,其值至少大于零才能使整个活动进行下去,这就是所谓的熵增原理。
如果我们的整个系统都遵循自然的正向转化,那么熵的值就是零,但是这里所说的自然并不仅仅是相对于人类的自然,而是所有符合正向转化的能量活动。即使地球上人为因素为零的地方,熵的值也不会为零。
在我们生活的世界里,总有负面的改造活动,不断形成负熵,人类的生产生活大大增加了它的数量。这个过程不仅存在于宏观系统,也反映在我们每个人身上。
至少对于现代人来说,如果没有负熵,现有的社会是无法运转的,但负熵必然指向内耗,也就是整个系统的灭亡。