诺兰|无《信条》，不生命！( 三 )
有意思的是 ， 你今天在物理学教科书上看到的开尔文表述通常只是上面这句话的残缺形式 ， 却把“无生命的材料”这部分给删掉了 。 换言之 ， 在开尔文当初的认知里 ， 要想让热二律成立 ， 必须把“生命”给排除在外 。
为什么不能包括生命呢？因为在19世纪那个时候 ， 科学家们就已经发现：生命似乎并不遵从热力学第二定律 。
爱找麻烦的麦克斯韦在1871年提出 ， 如果在那个气体盒子中间隔板的小孔上坐一个小妖精 ， 让他对左右两边飞过来的气体分子进行选择 ， 只让那些热的、飞得快的分子飞往左边 ， 只让那些冷的、飞得慢的分子飞往右边 ， 那么最终两边不但不会变得温度一样 ， 反而还有可能变得左边更热、右边更冷 。 这就意味着有序度反而增加了 ， 无序度下降了 ， 于是——熵减了 。
△麦克斯韦妖（图片来源：John D. Norton）
事实证明 ， 这样神奇的事情并不需要什么妖精才能做到 ， 而生命就足以完成类似的事件 ， 不顾热二律的限制 ， 持续实现熵减 。
究竟 ， 生命是什么呢？
妖精的食物
生命是什么？着迷于这个问题的物理学家不在少数 ， 其中不乏功成名就的物理学巨匠 ， 比如名字总是与猫联系在一起的埃尔温·薛定谔 。 这位量子力学的奠基人应邀到爱尔兰的“都柏林高等研究院”担任理论物理学院院长之后 ， 做了一系列关于生命问题的讲座 ， 并于1944年将讲座内容结集出版 ， 书名就是《生命是什么？——活细胞的物理学面貌》
△埃尔温·薛定谔
我知道的以及我认识的很多物理学家都把这本书奉为圭臬 ， 似乎物理学早在那个生命科学的“蛮荒时代”就已经参透了生命的本质 。
然而很可惜 ， 这只是物理学家们的一厢情愿而已 。
薛定谔在《生命是什么？》这本书中主要讨论了两方面的生命问题：遗传学和热力学 。 不幸的是 ， 在遗传学方面 ， 薛定谔错得离谱 ， 认为蛋白质是生命的遗传物质 。
不过 ， 热力学可是薛定谔的领域 。
要知道 ， 在开尔文爵士的时代 ， 热二律是无法被证明的 。 但是随着统计物理被引入热力学研究中 ， 热二律便成为了一个可以被证明的定理 。 而统计学正是薛定谔研究量子力学时的利器 。
薛定谔认为 ， 生命完全符合热二律 。
我们都知道 ， 生命是高度有序的 ， 个体由器官组成 ， 器官由细胞组成 ， 细胞又由很多不同的蛋白质和核酸等生命分子组成 ， 而蛋白质和核酸既有三维的空间结构 ， 也有一维的序列信息 。 无论从哪个角度来看 ， 生命都是高度有序的 ， 并且在生命活着时一直维持这种负熵的状态 。 这是生命貌似违背热二律的本质所在 。
对此 ， 薛定谔在《生命是什么？》的第六章中给出了一个很简单的答案：生命以负熵为食 。
换句话说 ， 薛定谔认为生命这个“小妖精”摄入的食物和其他所有物质是负熵的 ， 于是生命自身的熵降低了 ， 但伴随的代价就是包含生命在内的自然界这个大系统的整体熵提高了 。 所以 ， 热二律依然成立 。
原来是化学啊！
表面上来看 ， 薛定谔一句“生命以负熵为食” ， 似乎成功解决了生命违背热二律的问题 。 但其实他的内心也仍旧存有疑问 。
就算生命真的以负熵为食 ， 那么为什么生命能够利用负熵呢？或者说 ， 在活的生命体内 ， 为什么会有局部的熵减发生呢？说白了 ， 似乎总要有那么一只小妖精 ， 翘着二郎腿坐在生命体内某个隔板的小孔边沿上 ， 一边随手扒拉着飞过来的气体分子 ， 一边用轻蔑的眼神睥睨着高高在上的物理学天才们 。
就连薛定谔在《生命是什么？》的第七章中也不得不承认：“我们所面对的这一机制完全不同于物理学的概率机制 。 它不能够被简化为物理学的普通法则 。 ……活的生物虽然不能逃避物理学的法则 ， ……但有可能涉及到迄今为止尚不知晓的其他某些物理学法则 。 ”
究竟是什么法则呢？对此 ， 著名分子生物学家马克斯·佩鲁茨在1987年回应到：“那门科学就是化学 。 ”
何谓化学？就是物质改变的科学 。 无论是分子的拆解还是搭建 ， 都会涉及到化学 。 事实上 ， 早在19世纪末期 ， 著名化学家乔赛亚·吉布斯就已经提出了“亲合势”这个概念 ， 后又称为“自由能” ， 而今又改称“吉布斯能” 。 我们已经知道 ， 在一个反应体系中 ， 只有吉布斯能降低的反应才能自发地发生 。
△乔赛亚·吉布斯
的确 ， 统计物理不太考虑化学的问题 。 如果两个分子能变成一个 ， 一会儿又分成了两个 ， 那还怎么准确统计啊？但在薛定谔写作《生命是什么？》的年代 ， 他不可能没有听说过当时已经相当成熟的“自由能”理论 。 那么为什么他还觉得当时的物理和化学不够用呢？
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