這個宇宙不應該一直熵增嗎?從奇點到大爆炸,太陽燃燒百億年後灰飛煙滅,這些都是熵增,可是從一堆無機物變成有機物,這不是熵減嗎?生命的出現是否違背了熱力學第二定律?難道只能用運氣來解釋?


小朋友,不要以為學了點物理選修3-3,再結合自己的一點想法,就覺得自己找到了前人的漏洞。

首先宇宙確實在熵增,但是這只是大方向上的趨勢。也就是說宇宙整體熵增但是並不能代表不能局部熵減啊!況且化學上還會學到有些化學反應是熵減的,比如氫氣與氧氣化合成水就是熵減放熱的一個反應。

所以還是要多讀書。

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一堆積木被我擺整齊了還是熵減呢,熱二定律哪兒去了?積木運氣不錯哈?

拿一個封閉系統的定律去套一個開放系統


地球不是一個孤立系統


題主既然學過物理應該知道水會趨向於往低處流,廢話。其實不學你也知道,水都是從上游到下游單方向流動的。但你有沒有仔細觀察過河水的流動呢?你會發現並不是每一時刻所有水都在向下遊流動,比如某個高低落差處形成的漩渦,附近表層水是可以迴流的,但你要知道,這是以減緩其他部分水向下流動的趨向作為代價的,就好比蹺蹺板兩端都放上物體但只有更重的那一頭能向下運動。

即便有會有少部分水「逆流而上」,從整個系統來講,河水的重力勢能仍然在自發降低,熵也是這樣。


熱力學第二定律沒有考慮到引力的問題


熱力學第二定律說的是「孤立系統中的熵不會自動減少」,最終到達熱平衡態。但首先,它並不禁止一個開放系統通過物質交換與熱交換排放熵。比如系統可以在保持總內能不變的情況下,從高溫熱源吸取熱能並以低溫放出,按ΔS=ΔQ/T計算,這個過程是熵減的。地球每年就在以類似的機制,吸收太陽的熱輻射然後以地表這幾百K的溫度向太空輻射,從而排走相當可觀的一筆熵。

更進一步地,在遠離熱平衡態的地方,一些非線性過程可以使開放系統形成一個有序的自組織結構,即耗散結構。它可以通過不斷吞吐物質和能量來維持自身的有序性。一些比較有趣的簡單例子,如碘鍾反應等化學震蕩,這是時間上的有序結構;比如化學螺旋波,這是時間和空間上的有序結構。而當這種結構愈發複雜起來,形成鮮明的功能性時,你就能夠得到生命、社會等高級的組織形式了。並且,由於吞吐的物質和能量可以不斷地帶走熵,這種結構也並不違反熱力學第二定律。


其實進化論的最大的bug就是,第一個蛋白質是怎樣產生的,第一個細胞是怎樣產生的?人和一個單細胞生物的區別,遠遠小於一個細胞和分子之間的區別。有人說在所謂的混沌湯中,經過幾億年的過程,就能產生細胞。那麼就來算一個概率問題:假設地球上的氫,氧,氮,碳在45億年前就開始形成混沌湯,並且保持了45億年穩定的溫度,壓力或其它條件,比如電弧,那麼有多大的概率,它們會形成一個DNA?

假設地球全部表面有厚度達到10公里的氨基酸混沌湯,在每立方納米(1納米=10^-9米)中,每一秒產生1億種不同的氨基酸的排列組合(核苷酸單位大約長0.33納米),那麼在1秒鐘內地球上將產生5.1 乘以10 的 53次方種不同的排列組合。那麼在45億年內,會有7.2 乘以 10 的 70次方種氨基酸排列。這裡還要求保證所有這些排列都不同。

參考一下54的階乘是2.3乘以10的71次方。 也就是說,在以上的條件下,地球經過45億年有可能產生一個由54個鹼基對組成的有意義的排列。人類細胞中最大的1號染色體中,就有2億2千萬個鹼基對,請問這麼多鹼基對可以有多少排列方式? 100的階乘大約是10 的 158次方。1000的階乘是多少?matlab的答案是inf。 那麼2億的階乘是多少?

或者,再進一步簡化以上的條件,假設混沌湯充滿了A-T, G-C 這兩種鹼基對,那麼,在以上設置的條件下(45億年,地球表面10公里厚的混沌湯,每立方納米內每秒1億種排列), 大概能形成一條由235個鹼基對組成的有意義的排列,因為 2 的 235 次方 = 5.5 乘以 10 的 70次方。

以上討論的還只是DNA的形成。那麼細胞呢?

在混沌湯中,由單個分子到一個DNA的過程,明顯是混亂度減小,熵減小的過程。也就是說,如果熱力學第二定律沒有錯,在地球上由各種分子產生一個生命的過程,必須有一個絕對大的負熵源。否則,分子只可能單向的走向更加混亂的狀態。

舉一個例子,書是有智慧的人寫成的。如果把一個印刷廠炸了,有多大可能在灰燼中變出一本書來? 假設把一本字典用碎紙機絞碎了,拿個鼓風機吹起,落下,有多大可能這些碎片重新組成這本字典。 那麼在一堆分子組成的混沌湯中,有多大可能變出一個細胞呢?

也許,造物主,就是一個負熵源?


為什麼我們這個宇宙處於一個熵增的過程?目前物理界的解釋是,因為我們這個世界的初始條件是熵極小的大爆炸前的那個點,而這決定了這個世界從今往後要經歷一段非常長的熵增過程。(參考羅傑斯.彭羅斯的著作《the Road to the Reality》(現實之路)[2] )

所以針對題主的疑問,答案應該是: 咱們身處的宇宙這是個複雜系統(關於複雜系統推薦你《複雜》這本書)

我們可以繪製一條「複雜性階梯」路徑來看待生命複雜系統不斷演化的過程 。

混沌→聚集→湧現→新陳代謝→進化→層級

?2??

如果我們把大爆炸比作你一夜暴富,而熵增過程就是把錢花(交易)完的過程,那你會怎麼怎麼花這比鉅款?

一億個草履蟲和一億口人哪個消耗更多能量?

碎石形成星球,單細胞形成複雜細胞,簡單機構發展成複雜機構,鑽木取火到核電站,發現了嗎?簡單和複雜哪種系統熵增更高效?複雜系統不過是高效熵增的趁手工具。

那為什麼猛一看這個進化論違背了熱力學第二定律呢?我覺得是因為從簡單到複雜的演化系統,他們絕大部分不符合熱二定律的前提條件,即它必須是個封閉系統

也就是說雖然宇宙整體是封閉的,但你觀察的這個層級是「開放」的 ,(我說的層級 你可以用宏觀和微觀的尺度概念來輔助理解)而開放就有可能會帶來秩序,所謂秩序就是用負熵對抗系統增加的熵,這是完完全全自組織自發的有序(耗散結構 貝納德對流實驗)。

封閉系統只出氣兒沒進氣兒,所以只能喫老本,不斷熵增。而開放系統是通過輸入和輸出,與外界環境發生物質能量信息交換的系統。那麼對於開放系統熵到底是增加還是減小?熱力學定律並沒有回答這個問題。但我們可以這樣理解:一個系統只要從外界吸收的「有序」能夠快於內部產生的「無序」,這時候整個系統就有可能(概率)演化的越來越有序。(小宇宙?)

從系統的角度來看,如果你停止進食呼吸,那麼你這個複雜系統相對於其內的單一系統是封閉的。你體內組織的每一次陳代謝都是在耗散,在熵增。人類,正是通過這種相互作用的耗散,來增加整個宇宙的熵。

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人喫飯,就能動,能工作,會思考,熵減。不喫飯,餓死,熵增

同理,生態系統,有能量來源(陽光或地熱等),就能發展,熵減。無能量來源(太陽熄滅等),滅亡,熵增


薛定諤的《生命是什麼》能解決你的疑問


首先肯定你的一個觀點,生命過程確實是一個熵減過程。但是整個系統的熵增和系統內局部的熵減並不矛盾。


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