“负熵”的玄乎

负熵”的玄乎——对诺奖得主薛定谔生命观之批判

1865年，德国物理学家克劳修斯提出了熵的概念，用以度量在化学及热力学中动力学方面不能做功的能量总数（当系统的熵增加时，其做功能力下降），即将熵作为一种能量退化的指标，用于计算一个系统中的失序现象。

奥地利理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主薛定谔（Erwin Schrödinger，1887年－1961年）也是量子力学的奠基人之一。他于1944年发表了《生命是什么》一书，提出了负熵的概念，试图解释生命的物理学本质。他说，“物理学定律全是统计定律……这些定律同事物走向无序状态的自然密切相关……生命像

是物质的有序和有规律的行为，它完全不是以从有序转向无序的自然倾向为基础，而是部分地基于现存秩序的保持……即生命有机体似乎是一个部分行为接近于

纯粹机械的与热力学相对立的宏观系统”（Schrödinger 1944）。

他说，“当一个非活的系统被孤立出来，或者把它放在一个均匀的环境里，由于各种摩擦阻力的结果，所有的运动都将很快地停顿下来；电势或化学势的差别消失了；倾向于形成化合物的物质也是如此；温度也由于热传导而变得均一了。此后整个系统衰退成死寂的无生机的一团物质。这就达到了一种持久不变的状态，其中不再出现可观察的事件。物理学家把这种状态称为热力学平衡，或‘最大熵’……一个生命有机体在不断地产生熵—或者可以说是在增加正熵—并逐渐趋近于最大熵的危险状态，即死亡。要摆脱死亡，要活着，唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵……有机体就是靠负熵为生的……新陈代谢的本质就在于使

有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵”。

那么，熵和负熵如何度量？

熵 = kln D

这里，k是波尔茨曼常数（k=3.2983 x 10-24卡/o C），D是所讨论物体的原

子无序性的定量度量，一部分是热运动的无序，另一部分是来自不同原子或分子杂乱不可分的随机混合。在温度处于绝对零度（大约-273o C）时，任何物质的熵都等于零。

负熵 = kln (1/D)

这里，1/D为可作为有序性的一个度量。他认为，一个有机体使它自身稳定在一个高度有序（或低熵）水平上所用的办法，就是从周围环境中不断地汲取序，如高等动物摄取物质状态极为有序的食物后，排泄出来的则是大大降解了的无序的物质，对植物来说，太阳光是“负熵”的最有力的供应者，换言之，非平衡（即物质和能量流）可能成为有序的源泉。

德国化学家克拉墨（Friedrich Cramer，1923年—2003年）认为生命有序性与非生命有序性之间存在本质的差别，他说，“有序经常被视为某种静态的东西……生命系统中的有序并不能与晶体中的静态现象相提并论。一方面，生命乃

是从运动变化中创造有序，并永远与走向混乱无序的衰败相伴随。另一方面，生命就是衰败”（克拉墨2000）。

为何有机体需要如何之大？薛定谔认为“所有的原子每时每刻都在进行着毫无秩序的热运动……发生在少数原子之间的事件不能有规律地表现出来。只有在无数原子的合作中，统计学定律才开始影响和控制这些集合体（系统）的行为，它的精确性随着系统包含的原子数目的增加而增加……在有机体的生命过程中起重要作用的所有物理学和化学的定律都是这种统计性的定律…..物理学和物理化学定律的不准确性总是可能发生在1/√n的相对误差范围之内……一个有机体为了使它的内在生命以及它同外部世界的相互作用，都能为精确的定律所描述，它就必须有一个相当巨大的结构”。

笔者试图从以下几点提出质疑：

其一，非生命世界并非都是从有序走向无序。将一滴墨水滴入一杯水中，墨汁最终将被混合，而且也不可能发生墨汁—水混合物的自发分离。这常常被物理学家喻为无机世界从有序走向无序的经典案例（此外，也常常被化学家喻为化学上的不可逆过程）。但是，所有两种不同的液体都能发生这种混合现象吗？显然不可能，水—油就不可能混合，但存在相似相溶的原理。而且，二种液体物质混合后还可能形成有序性更好的固体物质。

其二，所谓的“负熵”听起来玄乎，也只不过是试图用一种物理学的语言来说明植物利用太阳光能通过光合作用将无机的小分子物质合成复杂（物理学家称之为有序）大分子化合物这样一个生命过程，但并未回答为什么生命能够这样，更不可能揭示生命的内在机制。其实，熵、有序和无序都是难以普遍定义的概念，更不用说准确度量了，虽然它们对刻画气体的行为具有意义，但是对生命这样结构异常复杂的气—液—固混合体来说，这些概念的准确度量既不可能，也毫无意义！

其三，试图用所谓的大数定律来揭示生命的构件性也是无稽之谈。这能解释为何地球上演化出有机体（由无数极其微小的原子组成）吗？没错，所有的电子都围绕原子核进行随机的运动，但宇宙中大大小小的固体物质都是由无数微小原子聚集而成，像巨大的岩石远比有机的生命体要大得多。此外，如何用大数定律来解释生命世界的千姿百态呢？为何现存生命个体之间的差异会如此巨大呢？小到纳米级的只能在电子显微镜下才能看到的病毒，大到庞然大物—蓝鲸、巨象与参天大树。无论是原始单细胞生命的起源还是向大型的多细胞动植物的进化都与这种大数定律毫无关系，生命不可能在这种漫无目的的统计规律中诞生。

地球生命演化历史上最重要的一幕开始于从简单的有机化合物进化出作为独立的能够完成自我繁殖功能的细胞的出现，这才真正实现了物质从化学性转变为生命性的飞跃。