第14節從無序到有序

前面曾介紹熵，就是混亂程度的度量。而混亂程度就是無序程度。如何體會混亂？在一個系統中，以什么標準來表達混亂程度的增加或減小？以4硬幣的系統為例，全部是正面或反面朝上，則系統僅有2種狀態。如果是2個正面2個反面，則有12種狀態。以狀態的數量為混亂的程度指標，那么硬幣系統全部同面向上的狀態數量最少，無序程度最低，有序程度最高。2正2反的無序程度最高，有序程度最低。冰中的水分子固定某個位置震蕩，而水的分子可以自由移動，同質量水就比冰的熵高。由熱力學第二定律，封閉系統（物質和能量守恒）的熵總是增加的。也就是混亂是系統趨勢。但在自然界，可以發現大量由無序變有序（無序程度由高變低）的情況出現。秋高氣爽，天氣中經常出現云街現象。前面曾介紹對稱的破缺，產生bénard對流。細胞的繁殖過程中，把混亂的材料分子，加工成極端有序的排列，雙螺旋dna。這些現象的出現，似乎違反了熵增原理。

這些有序現象（稱為自組織現象）的產生條件，和熱力學第二定律的前提條件不同。在自組織現象中，物質和能量都在變動，不滿足熵增的基礎要求。一個系統，和外部環境進行物質及能量的交換（熵也同時發生變化），當系統可維持平衡時的結構稱為耗散結構。依賴環境的能量補給以及將熵釋放到環境中，此時系統的熵不變或者減小。這個理論體系是由比利時人普里高津建立。從全局來看，熱力學第二定律依然成立，熵減小僅在局部發生。

地球誕生時，遍地巖漿，火山和隕石撞擊時常發生。隨著時間流逝，表層逐漸冷卻。那時是荒蕪的世界。化石記載，自38億年前，出現原始的生命形式（同時期地球產生磁場），地球的表面地貌和大氣完全由生命改變。地球生命的出現和發展歷史，就是由無序變為有序最強烈形式。我們的出現就是終極逆天改命！

思考：

1bénard對流出現時，分子狀態總數因對流的出現而大幅度減小，系統的熵因此變低。系統的對稱性突然破缺，對流的平移中心線和旋轉對稱軸由以前的無數個降為幾個。但（!）系統的信息量急劇增加。熵、對稱、信息是相互關聯的，熵是系統各部分能出現的狀態數量總和，對稱是系統的對某種操作的不變性，信息是系統各種狀態存在的可能性大小的度量，體現不同角度對系統描述的結果。混亂程度愈大，各部分愈相似，則1不變性愈大。2差異愈小信息量愈小。

2生命的起源有多種解釋。淺海、泥沼、冰湖、深海、粘土、火星（或彗星）都是可能的起源地。由于無法復制當時的情況，所有的理論都是假說，區別在于可行性大小。但可行性大小與當時的情況沒有關聯，因為不能重復進行多次生命起源實驗來驗證可行性。但也可以爭論生命是多次起源的。總之，生命是出現了。從無甚關聯的一些分子團，到細胞結構的出現、a、dna，分子的組織程度突飛猛進，由無序進入到極端有序，dna記錄了生物一生所有可能的生化反應（仔細觀察白熾燈泡的鎢絲，和dna有類似結構）。在地球上看來，是發生熵極端減小事件，太陽輻射為此事件提供能量。從太陽看來，毫末之處的浪花翻轉，絲毫不影響本系統的運轉，再過50億年，再極端的事件也湮滅在太陽的末日中。唯一的期待就是涅磐。因為組成我們身體的材料都是更早恒星的遺物。

3具備現代意義上的城市早在公元前2000年出現在印度河下游。但是工業革命以后，才大規模出現在這個世界。鄉村，類似大的分子團，在廣泛的區域內存在，相應的對稱性和熵都比較高。城市則更像細胞，組織齊全，具備各種功能。世界的城市化過程，就是世界的熵減過程。

4人類的祖先來自東非，這個已成為共識。在人類先祖進入到舊石器時代后，持續了百萬年，也沒有什么進展。和黑猩猩、海獺一個層次，熵值非常高。新石器時代是重大突破，人類很輕易地征服了整個陸地世界，適應了各地環境，產生不同的生存方式，熵值陡然降低。1萬年前，當人類擺脫狩獵，進入農業時代，社會的組織（因農業生產需求）及宗教的

（本章未完，請翻頁）發展，使得文明得以誕生，產生更高層次的人類群體形式，熵值變得更低。目前科技的進步，帶來的變化太快，以信息量的方式來計算，就是信息爆炸。就在這個時代，卻存在著信息的大量流失，就是多元化的消亡，大量弱勢文化、語言、思維方式在席卷全球的浪潮中無法立足，成為古董或書本文化，僅僅出現在數據統計中。但是這種信息的損失在更強勢的信息爆炸面前如同大海中的浪花。

5文明的發展，就是熵減的過程。以此角度出發，公元前六世紀到五世紀，是人類文明的一個爆發時期，可以和生命歷史上的寒武紀大爆發類比。熵的變化太劇烈，真是神奇的時代。希臘哲學、波斯祆教、印度佛教、中國諸子百家等各個地區的代表文明都蓬勃發展，形成了現代文明的基石。從文明的多樣性來看，后期反而是在降低。罷黜百家，獨尊儒術，就是文明的倒退。文明的特性在創造，失去創造性就是衰落。君不見自秦始古代輝煌而雜亂的成果創造者是不知何許人，只有代名詞勞動人民，焚毀后的歷史就是帝王將相和奴隸主的家譜八卦。此時，不符合文明的形態，符合自然界的形態。

6生命從單細胞發展到人的狀態，復雜程度的增加難以計量。從生命的總體而言，全部生命的熵卻變化不大。38億年來，地球生命的主體永遠是細菌類型的單細胞生命。愈復雜的生命，數量愈少，生存環境要求愈高。人只能在地面生存，而細菌可以上窮碧落下黃泉。生命的演化，就像掃地一樣，大量的塵土（細菌）在地面，少量細灰（高等生命）揚起來。時不時的來個偶然事件，導致地球高等生命大滅絕，對于生命總體幾無影響。但生命個體熵的急劇減小，對我們的意義很大。

7無序的度量是熵，有序的支撐是能量。能量和（或）物質的注入，使得系統熵降低或減慢熵增加。bénard對流依賴熱量的持續注入，過冷水的結冰依賴外來凝結核，豆腐制作中的鹽鹵，地球生命依賴太陽能，我們的生存依賴食物，鋼鐵的出現依賴大量燃料提供熱量的冶煉。唯一的問題是我們擁有智慧杠桿，可以在同樣的物質消耗下（愛因斯坦、克里克的飯量不會超過參孫），產生自然界千百萬年才能出現劇變。

在某些情況下，無序到有序（以我們的判斷標準）對應著熵增加的過程。似乎是違反我們的認知。液晶大量出現在生活中，而液晶最初被發現時，就是液體保持渾濁，但加熱到特定溫度，渾濁的液體突然變得清亮。正常情況，加熱是導致混亂程度增加的手段，而液晶表觀卻是無序（渾濁）變有序（清亮），實際上，液晶的確是無序程度增加了！

液晶的分子呈棒狀，運動狀態是棒指方向和棒平移兩種狀態的合成。那么棒狀分子的無序程度（熵）就是棒取向無序程度（取向熵）和棒平移無序程度（平移熵）的和。當分子間距很大時，棒的取向完全不影響棒的平移，此時液晶處于渾濁狀態。當分子間距變小時，棒的取向和棒的平移就相互干擾。當棒的取向完全一致時，棒的平移程度可以獲得最大空間。此時平移熵的增加值大于取向熵的減小值，因此總熵增加。所以當溫度增加到一定數值時，分子平均間距逐漸減小到特定數值，取向熵消失，僅剩下平移熵。此刻，以我們的視角，液晶變得完全有序。這就是熵致有序。本質就是有序導致內部分子運動自由空間變大，以增加熵。這是美國人昂薩格的思考結果。

思考：

1視角不同，有序也能和混亂取得共識。原因在于我們眼中的有序和混亂并不是必然對立的。某些時候混亂狀態是有序的，完全是我們的有序標準和自然界的有序標準不同。產生錯覺的原因是我們總以為自己是對的。

2液體和固體的混合物，容易產生一些奇特現象。蛋白石，是一種寶石，澳大利亞產量最大。一種液體和固體微球的混合物。內部小顆粒和大顆粒分離，各自形成團簇，最終增加了整體熵。因整體是有序陣列，尺寸和可見光的波長相當，在自然光照射下，某些顏色的光反射抵消，其他顏色的光保留在反射光中，使得蛋白石表現出豐富多變的色彩。黑色蛋白石，和u潛艇的橡膠聲納隱身層原理相同。可以把它當做自然形成的光子晶體來看待。自然中蝴蝶、

（本章未完，請翻頁）孔雀色彩斑斕的外衣，其羽毛鱗片上細微的反射結構也是類似結構。這些有序結構可以產生反射色彩，類似尺寸的無序結構也可產生反射色彩。起決定作用的就是反射結構（顆粒）的尺寸。而有序和無序的差異體現在光的入射角度不同，有序可能產生連續（間斷）顏色變化，而無序不受入射角度影響。當反射顆粒較大時，白光完全反射，形成乳白色，比如牛奶。因結構而產生的顏色優點是顏色濃烈而不褪色。

3化工的發展，合成大量新材料。很多材料的分子都是長鏈結構，平常保持松散的狀態。比如合成橡膠。當用力拉伸橡膠條時，這些分子的逐漸拉直，但內部原子之間無任何變化。分子的形態逐漸變得有序，整體熵減小。所需的能量就是拉伸力作的功。當橡膠條到達極限后，就很難再拉動，此時是原子之間的力作用結果，如果繼續拉，原子之間的結構被破壞，橡膠條斷裂。可以看到，熵變的效果就是物質產生尺寸變化幅度很大的彈性。而鋼鐵的彈性允許的尺寸變大范圍很小。（通常的彈簧為什么可以有較大的變動范圍？）我們的dna也是長鏈結構，但組織方式和彈簧很類似（老式的白熾燈泡，里面鎢絲也是類似狀況）。

4人體內部有大量蛋白質，結構迥異。組成器官結構、催化生化反應。當初蛋白質在自然條件下產生時，不存在任何產生生命的目的性。其結構完全符合自然熵最大的結果。那些在自我復制環節中出現的蛋白質數量逐漸增加，成為生命的基石。其結構和合成方式被記錄在dna中。不同的生命在各自的內環境下還生成特定的蛋白質。比如人體就存在這樣蛋白質，通過對早期人類糞便的鑒定，可以推斷出主人是否食人。

5蛋白質因熵而生成的特定結構，存在鏡像對稱性。這兩種鏡像對稱的蛋白質熵相同。正常情況下，兩種蛋白質都在自然中生成。并且蛋白質組作為組織原材料或催化劑時，都只能對和自己處于同一鏡像對稱側的蛋白質起作用。鏡像兩側的蛋白質無法相互作用，因為結構無法匹配，如同左手無法使用右手手套。早期生命偶然地使用了鏡像對稱的左側蛋白質（成為左旋）為基礎結構，導致目前生命全是左撇子，沒有鏡像右側蛋白質存在的余地（沒有dna記錄、沒有組織生產）。假設存在造物主，看樣子祂是左撇子，不完美。

綜合：

1燒菜總是大火燒開，小火燉熟，最后大火收汁，為什么這樣做？

2大風中為什么很難呼吸？

3一樓和地下室為什么比較潮濕？

4索爾仁尼琴在小說《古拉格群島》中寫道：大約1948年的蘇聯科學雜志上刊登了一篇文章，一群犯人發現一個冰凼，里面凍著一只類似蠑螈的動物，由于保存的相對完整和新鮮，那些人當場砸了冰，把動物烤著吃了。若此事件為真，推理氣候的變化情況。（關鍵詞：冷血？熱血？龍卷風？保鮮？質量？）

5文明出現在亞熱帶和溫度，而熱帶和寒帶則出現很晚或基本沒有，為什么？

66000萬年前生物滅絕事件中，幸存者包括鯊魚、鱷魚、龜等動物，還有一些小型的哺乳類動物，為什么這些動物能幸存？

7來自火星的隕石，發現自南極，為什么去南極找隕石？

8癌癥最易出現在那些細胞更新快的組織上，順式二氯二氨合鉑是一種抗癌藥物，引起惡心嘔吐，頭發脫落，為什么？

9食物的生熟區別是什么？

10各文明中大洪水傳說，估計發生在什么時期？

11儒勒凡爾納的小說《神秘島》上生活著豹子，這可能嗎？為什么？而笛福小說《魯濱遜漂流記》中島上生活著山羊，這可能嗎？

12電影《未來水世界》，若不存在陸地，主角能航遍全球嗎？

13二戰末美軍修的云南通往印度的公路和秦統一后始皇修的馳道，壽命差距如此大的原因是什么？

14雅典神廟、馬丘比丘的城市殘骸猶在，秦咸陽、漢長安、隋大興（唐長安）、宋開封均湮滅，差別何在？

（本章完）