第14节从无序到有序
前面曾介绍熵,就是混乱程度的度量。而混乱程度就是无序程度。如何体会混乱?在一个系统中,以什么标准来表达混乱程度的增加或减小?以4硬币的系统为例,全部是正面或反面朝上,则系统仅有2种状态。如果是2个正面2个反面,则有12种状态。以状态的数量为混乱的程度指标,那么硬币系统全部同面向上的状态数量最少,无序程度最低,有序程度最高。2正2反的无序程度最高,有序程度最低。冰中的水分子固定某个位置震荡,而水的分子可以自由移动,同质量水就比冰的熵高。由热力学第二定律,封闭系统(物质和能量守恒)的熵总是增加的。也就是混乱是系统趋势。但在自然界,可以发现大量由无序变有序(无序程度由高变低)的情况出现。秋高气爽,天气中经常出现云街现象。前面曾介绍对称的破缺,产生benard对流。细胞的繁殖过程中,把混乱的材料分子,加工成极端有序的排列,双螺旋dna。这些现象的出现,似乎违反了熵增原理。
这些有序现象(称为自组织现象)的产生条件,和热力学第二定律的前提条件不同。在自组织现象中,物质和能量都在变动,不满足熵增的基础要求。一个系统,和外部环境进行物质及能量的交换(熵也同时发生变化),当系统可维持平衡时的结构称为耗散结构。依赖环境的能量补给以及将熵释放到环境中,此时系统的熵不变或者减小。这个理论体系是由比利时人普里高津建立。从全局来看,热力学第二定律依然成立,熵减小仅在局部发生。
地球诞生时,遍地岩浆,火山和陨石撞击时常发生。随着时间流逝,表层逐渐冷却。那时是荒芜的世界。化石记载,自38亿年前,出现原始的生命形式(同时期地球产生磁场),地球的表面地貌和大气完全由生命改变。地球生命的出现和发展历史,就是由无序变为有序最强烈形式。我们的出现就是终极逆天改命!
思考:
1benard对流出现时,分子状态总数因对流的出现而大幅度减小,系统的熵因此变低。系统的对称性突然破缺,对流的平移中心线和旋转对称轴由以前的无数个降为几个。但(!)系统的信息量急剧增加。熵、对称、信息是相互关联的,熵是系统各部分能出现的状态数量总和,对称是系统的对某种操作的不变性,信息是系统各种状态存在的可能性大小的度量,体现不同角度对系统描述的结果。混乱程度愈大,各部分愈相似,则1不变性愈大。2差异愈小=信息量愈小。
2生命的起源有多种解释。浅海、泥沼、冰湖、深海、粘土、火星(或彗星)都是可能的起源地。由于无法复制当时的情况,所有的理论都是假说,区别在于可行性大小。但可行性大小与当时的情况没有关联,因为不能重复进行多次生命起源实验来验证可行性。但也可以争论生命是多次起源的。总之,生命是出现了。从无甚关联的一些分子团,到细胞结构的出现、a、dna,分子的组织程度突飞猛进,由无序进入到极端有序,dna记录了生物一生所有可能的生化反应(仔细观察白炽灯泡的钨丝,和dna有类似结构)。在地球上看来,是发生熵极端减小事件,太阳辐射为此事件提供能量。从太阳看来,毫末之处的浪花翻转,丝毫不影响本系统的运转,再过50亿年,再极端的事件也湮灭在太阳的末日中。唯一的期待就是涅磐。因为组成我们身体的材料都是更早恒星的遗物。
3具备现代意义上的城市早在公元前2000年出现在印度河下游。但是工业革命以后,才大规模出现在这个世界。乡村,类似大的分子团,在广泛的区域内存在,相应的对称性和熵都比较高。城市则更像细胞,组织齐全,具备各种功能。世界的城市化过程,就是世界的熵减过程。
4人类的祖先来自东非,这个已成为共识。在人类先祖进入到旧石器时代后,持续了百万年,也没有什么进展。和黑猩猩、海獭一个层次,熵值非常高。新石器时代是重大突破,人类很轻易地征服了整个陆地世界,适应了各地环境,产生不同的生存方式,熵值陡然降低。1万年前,当人类摆脱狩猎,进入农业时代,社会的组织(因农业生产需求)及宗教的
(本章未完,请翻页)发展,使得文明得以诞生,产生更高层次的人类群体形式,熵值变得更低。目前科技的进步,带来的变化太快,以信息量的方式来计算,就是信息爆炸。就在这个时代,却存在着信息的大量流失,就是多元化的消亡,大量弱势文化、语言、思维方式在席卷全球的浪潮中无法立足,成为古董或书本文化,仅仅出现在数据统计中。但是这种信息的损失在更强势的信息爆炸面前如同大海中的浪花。
5文明的发展,就是熵减的过程。以此角度出发,公元前六世纪到五世纪,是人类文明的一个爆发时期,可以和生命历史上的寒武纪大爆发类比。熵的变化太剧烈,真是神奇的时代。希腊哲学、波斯祆教、印度佛教、中国诸子百家等各个地区的代表文明都蓬勃发展,形成了现代文明的基石。从文明的多样性来看,后期反而是在降低。罢黜百家,独尊儒术,就是