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熵的谜语与一万亿个外婆:量子力学的基础与DNA结构的启示

时间:2023-08-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:钢笔小姐拉着星星直奔顶楼,数百人已经聚集在木质长凳上,面向被枝形吊灯照亮的讲台窃窃私语。笔挺的西服勾勒出消瘦的躯干线条。这种混乱称为“熵”,这个无法挽回的越来越混乱的过程称为“熵增”,也就是“熵”的数值在不断地增加。相反的过程却从不可能自动发生。1926年提出薛定谔方程,为量子力学奠定了基础,并因此获得1933年诺贝尔物理学奖。1943年发表的这个演说于1944年结集成册,直接启发了后人对DNA结构的发现。

熵的谜语与一万亿个外婆:量子力学的基础与DNA结构的启示

汽车一路缓慢地行驶在灰雾中,直到前方出现了一栋灰色建筑[1]。四根巨大的立柱支撑起一个三角形的屋顶。钢笔小姐拉着星星直奔顶楼,数百人已经聚集在木质长凳上,面向被枝形吊灯照亮的讲台窃窃私语。

“这是哪儿?”星星被眼前的人潮惊呆了。她不知道小镇上还有这样一座有年头的建筑物。不远处的一位女士甚至戴了一顶带有斑点面纱的黑帽子,直筒连衣裙上还别着一枚大叶形的胸针。她只在外婆的老照片簿里见过这样的装扮。

“我们来到了1943年,小星星,这儿是一个学校。”钢笔小姐扭头对问号先生说,“待会儿那位先生会专门来解答你的问题。”

讲台上的人毫无赘肉的脸上架着一副又小又圆的黑框眼镜。笔挺的西服勾勒出消瘦的躯干线条。他清了清嗓子:“我相信在座多数人都思考过一个问题,生命是什么。”他得到了此起彼伏的呼应。

“好,我们需要来认识一个词,”他拿起粉笔写了一个大大的字,“‘熵’。如果我们将一个非生命的系统分离出来,或是放在一个均匀的环境里,由于各种摩擦阻力的作用,所有的运动会陷于停顿,整个系统最后衰退成死寂的、无生气的一团物质,达到一种永恒不变的状态,我们再也看不见它的身上会发生什么改变了,这种状态就被称为‘最大值的熵’。对于生命而言,‘最大值的熵’就是‘死亡’。[2]”“讲台先生”的声音通过扩音器传遍了大厅。

“到底什么是‘熵’呢?”星星还是有些困惑。钢笔小姐连忙将食指贴在嘴唇上,拿起笔记本涂写起来。过了好一会儿,星星接过钢笔小姐递来的笔记本,上面写道:

小星星,你得了解这是时空中一个悲伤的事实:物质的能量总会越来越耗散,世界会变得愈加混乱和无序。这种混乱称为“熵”,这个无法挽回的越来越混乱的过程称为“熵增”,也就是“熵”的数值在不断地增加。

整个宇宙的演化只可能是一张通往死寂的单程票。当你围着一堆篝火取暖,只会看到火焰慢慢燃尽,留下冰冷的残灰;当你于林中小路漫步,只会看到秋叶渐渐枯黄,吹散风中。相反的过程却从不可能自动发生。你只能在科幻电影里看到返老还童。你垂垂老去的外婆不可能再次长出乳牙。(www.xing528.com)

“可是直到住进医院她还在长黑头发!”星星说。

“但是,”钢笔小姐压低了声音,“她已经白了的头发不会再次变黑了。”

星星垂下头,影子静静地斜躺在大理石地面上。

“自然界中的每一件事只要还在进行,就意味着它的那部分世界的熵在递增。像那些非生命系统一样,一个生命有机体也在不断地增加它的熵,但区别在于,生命可以通过一种不可思议的能力,推迟向着‘最大值的熵’的衰退。那些能有办法使自己稳定在一个熵值较低的水平上,来对抗‘熵增’的东西,就是生命。”讲台上的人背着双手,仿佛要将全部重力都压向那只喇叭。

“原来生命就是能够给熵做减法……”问号先生长叹了一口气。底下掌声雷动,很快吞没了他的叹息。

[1] 原型是都柏林圣三一学院,出现的人物原型是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger,1887—1961)。1926年提出薛定谔方程,为量子力学奠定了基础,并因此获得1933年诺贝尔物理学奖。1943年发表的这个演说于1944年结集成册,直接启发了后人对DNA结构的发现。

[2] 摘自埃尔温·薛定谔著作《生命是什么》。

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