从无序到有序.doc

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关于有序性与无序性问题的讨论 物理学中的热力学第二定律和生物学中的达尔文进化论，是 19 世纪 50 年代自然科学 史上两个最重大的进展。
热力学第二定律 —— 后来被称为熵增加原理， 指出孤立系统的自发过程只能向着熵增加 的方向进行。 在没有外界作用的情况下， 系统总是从非平衡态趋向平衡态： 当系统达到平衡 态时，熵也达到最大值。 后来， 波耳兹曼从分子运动论的角度对这个定律提出了解释， 揭示 出组成系统的大量分子总是由比较规则的运动向混乱无序程度越来越高的方向进行， 熵就是 这种混乱运动的定量量度。 所谓熵的增加， 即有序度的减小和无序度的增加， 所以热力学第 二定律断言了能量趋于退化，结构趋于解离， 万物趋于衰亡的不可逆进程。 一句话，万物都 要从有序向无序演化发展。
但是，在生物界中随着时间的进程却呈现出另一番图景： 生物的进化总是从简单到复杂， 从低级到高级， 从有序程度低的组织到有序程度高的组织。 进化的结果总是导致物种愈加繁 多，结构愈加复杂，功能愈加精巧。所以，生命世界是从无序向有序发展的。这就是 1859 年英国生物学家达尔文在他的不朽之作《物种起源》中所确言的科学真理。 这样，物理学和生物学这两种演化观点至少在表面上已经表现出了鲜明的对立， 前者指向无 序，后者指向有序， 似乎无生命世界与生命世界中的过程是沿着恰恰相反的方向演化的。 但 是，自然科学已经揭示， 生命物质是从无生命物质中产生出来的； 如果无生命世界的过程总 是从有序走向无序， 又如何会从中产生出高度有序的生命结构呢？而且我们还看到， 即使在 无生命世界， 也广泛存在着自发形成宏观有序结构现象， 例如雪花总是呈现规则的六角形的 美妙结构， 天空的云层会形成整齐的间隔排列。 那么， 在热力学第二定律所预言的混乱度增
加的总趋势下， 通过什么机制实现着某些有序向无序的逆转呢？这个问题百多年来一直牵动 着科学家们的思索。
著名物理学家麦克斯韦曾对熵增加原理提出了一个假想破坏者——“麦克斯韦妖” 。 1871 年，他在《热的理论》一书的末尾“热力学第二定律的限制”中写道： “我们知道， 在一个温度均匀的充满空气的容器里的一个分子” ，其运动速度并不均匀，然而任意选取的 任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假设把这样一个容器分为 A 和 B 两部分，在分界上有一个小孔，使得只有快分子从 A跑向B,而慢分子从B跑向A。这样，
它就在不消耗功的情况下， B 的温度提高， A 的温度降低， 而与热力学第二定律发生了矛盾。 ” 下面我们来研究一下生命体是否具有“麦克斯韦妖”的这种性质。的确，在生命体内， 某些大分子可能会影响一些较小分子的运动， 从而在生命体内建立起有序的分子系统， 是生 物体（如正在生长着的活的植物或动物） 向着更高程度的有序性发育。 所以，就生命体自身 来讲， 确实是减少它的熵而不是增加它的熵， 乍一看是热力学第二定律的。 但在事实上，正 如著名的奥地利物理学家薛定谔在他 1944 年出版的 《生命是什么？》 一书中指出的， 任何 一个生命体都必须通过代谢不断从外界吸收负熵流 （△ Se<0 ），而在其