第六章 有序，无序和熵
身\_体不能决定意识，意识也不能决定身\_体的运动、静止或其他活动。
——斯宾诺莎《伦理学》第三部分，命题2
1．一个从模型得出的值得注意的普遍结论
记得第五章第7节最后的一句话：“对于基因的分子图像而言，微型密码与一个高度复杂而精细的发育计划一一对应，并且它还包含了促使密码起作用的程序。”那么，我们根据基因的分子图像，如何才能把设想的变成每一个人真正理解的呢？它能够促使密码起作用，那么又是如何做到这一点的呢？
虽然德尔勃吕克的分子模型是极其普遍的，但是他的这一模型并没有告诉我们遗传物质是怎么起作用的。坦白地讲，对于这个问题物理学能够提供任何详细有用的信息，我丝毫不抱乐观的态度。不过有一点可以相信，那就是在生理学和遗传学的指导下，生物化学对这个问题的研究会不断取得进步并获得长足发展。
我们在前面对遗传物质结构只作了一些简单的描述，自然还没有给出关于遗传机制如何发挥作用的详细信息。但是，一个普遍结论即将从这里得出，写作本书的唯一动机可以略见一斑。
根据德尔勃吕克的遗传物质普遍图像，我们可以知道生命物质在遵从现有的物理学定律的同时，也许还在遵循一些尚未发现的“物理学的其他定律”，只是我们目前的科研水平无法探个究竟；一旦这些新的定律被我们发现，它们将和以前所发现的定律一样，成为这门科学的一个重要的组成部分。
2．由序导出序
在第一章里我们已经作了说明，目前我们所知道的物理学定律都是统计定律[36] 。事物走向无序状态的自然倾向与这些定律有着千丝万缕的关系。
但是，我们只能通过一种“设想的分子”来避免无序的倾向，以此来保证遗传物质的高度持久性同它的微小体积相互协调。实际上，这种特别大的分子是高度分化的有序性的杰作，同时还受到了量子论的魔法保护。这种“设想的分子”并没有使得机遇的法则失效，只是修正了它的最后结果。在特别低温的情况下，量子论已经修改了物理学的经典定律，这一点已经为物理学家所知。这类例子很多，生命就是其中一个令人惊异的例子。物质的有序和有规律的行为在生命中得到了完美体现，因为生命从来都是部分地保持现有的秩序，而不是直接地从有序转向无序的自然倾向。
生命有机体是一个与热力学相对立的宏观系统，其中有一部分行为是纯粹的机械运动；而当所有的系统温度接近绝对零度并且分子的无序状态消失时，它们都会趋向这种行为。我希望这样的观点对于一个物理学家来说，能更清楚地表明我的意思。
对于非物理学家来说，他们所认为的高度精确的典范物理学定律以物质走向无序状态的统计学作为基础，这对他们来说是难以置信的。在第一章里有一些例子，其中所谈到的普遍原理就是著名的热力学第二定律（熵原理）及其统计学的基础。在本章第3到第7节里，我们可以完全忽视关于染色体、遗传等的相关知识来探讨一下熵原理对生命有机体宏观行为的意义。
3．生命物质避免了向平衡衰退
生命具有什么样的特征？如何判断一块物质是活的呢？答案很简单，当它继续运动、“做某些事情”、与环境交换物质等等的时候就表明它是活的；而且它“继续保持下去”的时间会比一块没有生命的物质在相似的情况下要长得多。一个非活的系统被独立出来，或是把它置于一个均匀的环境里，所有的运动由于周围的各种摩擦力的作用都将很快地停顿下来；电势或化学势的差别也消失了；形成化合物倾向的物质也是如此；由于热传导的作用，温度也变得均匀了。由此，整个系统最终慢慢地退化成毫无生气的、死气沉沉的一团物质。于是，这就达到了被物理学家们称为的热力学平衡或“最大熵”——这是一种持久不变的状态，在其中再也不会出现可以观察到的事件。
事实上，这种状态是经常出现的。仅从理论本身来说，它可能还不是熵的真正最大值或者还不是一种绝对的平衡，最后真正达到平衡是一个极其缓慢的过程——也许是几小时、几年、几个世纪……比如，将一只玻璃杯盛满糖水，另一只玻璃杯盛满清水，把它们一起放进恒温箱里，并保持恒温箱的密封状态。在最初的时间里，它们似乎什么也没有发生，人们相信它们是完全平衡的。可是，过了一天左右，可以发现在较高蒸汽压的作用下，清水慢慢地蒸发了出来，最后凝聚在了糖水上面，这样随着时间的推移，清水越来越多，最后糖溶液溢出来了。糖可以平均地散布在箱内的全部水中，唯一必须满足的条件是其中所有的清水都被蒸发掉。
从上面的例子中，我们发现了一个逐渐平衡趋近的过程，但是我们千万不要误认为这是生命。只是为了避免别人指责我的不准确，我才在这里说一下，其实我们可以不去理会它们。
4．以“负熵”为生
一个有机体为了避免衰退带来的惰性“平衡”态，于是便显出活力。人类思想早期曾经认为，在有机体里存在着一种特殊的非物质的超自然的力（活力，“隐德来希”[37] ），这种力始终发挥着作用，直到现在依然有人坚持这样的主张。
那么，生命有机体是如何避免衰退到平衡的呢？毫无疑问，显然是靠吃、喝、呼吸以及（植物的）同化。生物学中有一个专门的术语叫“新陈代谢”，说的就是这个意思。这个词来源于希腊字，意思是交换或变动。那么，交换什么呢？最初大部分人都认为是指物质的交换，其实这种看法是错误的。因为我们知道，生物体中的氧、氮、硫等任何一个原子与环境中的同类原子都是一样的，那么把它们进行交换又有什么意义呢？后来有人认为能量是我们赖以生存的基础。这样，我们的好奇心可以得到暂时有效的缓解。在一些发达国家的饭馆里，菜单上除了价目以外，你还会经常发现在每道菜的名字后面标注了它所包含的能量。然而，一个成年有机体所含的物质与所含的能量都是固定不变的。既然体外一个卡路里与体-内一个卡路里的价值是相等的，那么，这样的单纯交换是为了什么呢，能有什么样的益处呢？可见，能量说也是一个荒唐的结论。
到底我们的食物里包含什么样的物质可以使我们免于死亡呢？这个问题很容易回答。自然界中的每一个过程、事件以及突发事变等等，它们在发生的过程中意味着在其中的与之相对应的那部分熵在增加。因此，一个生命有机体无时无刻不在生产着熵或者是在增加正熵，同时它们不断趋近熵的最大值，在这一缓慢过程之后就是生命有机体的危险状态，即死亡。那么，如何才能摆脱死亡，一直保持生命的存在状态？从环境里孜孜不倦地汲取负熵恐怕是唯一的办法了。在下文我们就会知道负熵是一种积极的物质，它是有机体维持生命的重要物质。换句话说，有机体成功地在它的存活期间不断地消除活着的时候不得不产生的全部的熵，这即是新陈代谢的本质。
5．熵是什么
熵是什么？首先声明的是，这个物理量是可以进行测量的，而不是一个模糊的概念或思想。它就像一根棍棒的长度，物体某一点的温度，晶体的熔化热，物质的比热等。任何物质的熵在处于绝对零度时（大约在-273℃）都等于零。通过可逆的、微小的、迟缓的变化，物质进入另一种不同的状态，其中自然包括分裂为两个或多个物理学化学性质不同的部分，或者改变了物质的化学或物理学性质，这个时候熵的增加量就可以这样算出：发生在过程中的每一小步，物质都会吸收一定的热量才可以使得变化维持下去。在此之中系统吸收的热量除以吸收热量时的绝对温度，最后把每一小步的结果加起来就可以得出我们想要的结果。我们可以举个例子来解释一下，比如你熔解一种固体，它熔化时所需要的热量除以熔点温度就是它的熵增加量。因此，从计算公式中我们就可以看出熵的单位是卡/摄氏度。
6．熵的统计学意义
我已经简单地探讨了熵的专业性定义，差不多已经为我们的读者扫清了笼罩在头上的迷雾，对这一概念和物质多少有些了解了。但是，仅限于此不是我们的目的，对我们来说更为重要的是有序和无序的统计学概念以及熵和序之间的关系。有幸的是，玻耳兹曼和吉布斯的统计物理学研究所已经用一个定量公式精确表达了这一关系。其表达式是：
熵=klnD
k是玻耳兹曼常量（后=3.2983×10-24卡/℃)，D是所讨论物体的原子无序性的定量量度。想用几句简明的非专业语言来解释D的准确量度是十分困难的。它包含了两种无序：一种是热运动的无序，一种是不同原子或分子的没有规律的随机混合，前文所举的糖和水分子的混合就是后一种无序。玻耳兹曼公式在这个例子中算是得到了完美阐释。随着糖在水中的慢慢散开，系统的无序性D也随之增加。于是熵也随着增加。同样的道理，热运动过程中如果能得到外界的任何热补充，那么这个热运动的混乱性加剧，D值增加，熵值也随之增加了。这其中有什么原因呢？也许下面的例子可以帮助你更好地理解。当你熔化一种晶体时，它原先的原子或分子的整齐排列就被破坏了，持久不变的状态变成了一种连续变化的随机分布。
所以，一个在均匀环境里的系统或者一个孤立的系统，由于它的熵值在不断增加，因此它会越来越趋近于最大熵的惰性状态。现在我们知道了，这个基本定律是事物的一种必然的自然倾向。如果我们不能有效地设防，这个倾向就无法避免。
7．从环境中抽取“序”来维持组织
一个生命有机体可以有效地抑-制这种趋向热力学平衡（死亡）的能力，更让人惊叹的是，根据统计学理论可以表示出这种能力的大小。我们在前文曾说过：“生命以负熵为生”，这就好比生命有机体借助于外界的负熵来消除它体-内的正熵的增加量。由于这种正熵是在生活中所产生的，因而它是不可避免的。生命有机体就是通过这样的方式来保持自身在一个稳定的水平上。
如果D是无序性的量度，那么它的倒数1/D就可以作为有序性的一个直接量度。因为D的负对数恰好是1/D的对数，于是玻耳兹曼方程式可以写成这样：
负熵=kln（1/D）
因此，如果觉得“负熵”这种公式表达比较拗口的话，我们可以这样来表达它：取负号的熵正是序的一个量度。这样的话，我们可以知道有机体使其自身维持在一个有序水平的办法，无一不是从外界的环境中汲取这样的序。这个结论初看起来比这个公式更合理一些，不过，它会由于没有严谨的推导而遭受责难。众所周知，高等动物完全就是汲取序来维持生命的。这是由于作为它们食物的不同复杂程度的有机体的状态是极为有序的。高等动物吃了这些食物后，排泄出来的是大大降解的物质；当然并没有完全降解，因此这些物质中含有一定量的序，因此植物还可以利用它。
关于第六章的注
“负熵”的说法曾经一度遭到物理学界的批判和反对。首先我要说的是，果真想要迎-合他们的心意，那就应该用自由能这个概念来代替。然而，从语言学的角度看这个术语与能量太接近了，这样使得普通读者不清楚它们之间的区别。读者们很容易简单化地认为自由只是个形容词而已。但事实恰恰相反，自由能远比读者想象得更为复杂。因此，用玻耳兹曼有序－无序的原理不一定就比用熵和“取负号的熵”表达得更清晰。还有负熵的说法并不是我的初创，因此上面的表述正好是玻耳兹曼原始论证所涉及到的东西。