生命摄入“负熵”
生命的神秘之处恰恰体现在它能够避免迅速衰退成惰性的“平衡态”。这太神秘了，以至于有史以来，人们就认为存在某种特殊的非物理或超自然力量（“活力”“生机”等），是它们在操控着生命。即使现在，仍有人觉得如此。
生命如何避免衰退呢？明面上的答案是：吃、喝、呼吸以及（对于植物来说）同化。术语叫做新陈代谢。这个希腊语单词（μεταβάλλειν）的意思是改变或者交换。那交换什么呢？毫无疑问，这个词背后最早的含义就是交换物质（例如，德语中，新陈代谢叫做 Stoffwechsel） 。
但是，认为事情的本质就是物质交换， 这很荒唐。氮原子、氧原子、硫原子等，任何原子和其同类都一样；交换它们能够得到什么呢？过去有一段时间，我们以为交换的是能量，然后就没有继续探究这个问题了。
在某些发达国家的餐厅里（我记不清是美国还是德国，还是两个国家皆有之），你在菜单上除了能看到菜品的价格，还能看到菜品所含的能量。毫无疑问，这也荒唐透顶。因为对成年生物个体所包含的能量，和它所包含的物质一样稳定。既然不管来自哪里的卡路里都一样， 那单纯交换卡路里，似乎就并不能改变什么。1
1、薛定谔可能没发过福，也没减过肥。当然，他这里实际的意思是，只从摄入能量的角度考虑的话，并不能解释人为什么要专门摄取食物，而不是饿了就用火烤一烤，摄取环境中的热或者其他形式的能量。—译者注
那么，食物中究竟包含了什么珍贵的东西，能够不让我们死亡呢？答案很简单。总而言之，大自然中每发生一件事情——随便你把它叫做过程、事件或者正在发生的事情——都意味着那个地方的熵在增加。因此，生物个体的熵在持续增加。或者你也可以称之为产生正熵。
这么一来，生物就在趋向于最大熵，这种危险的境况就是死亡。想要活着，远离最大熵，生物就必须不断从环境中摄取负熵——我们很快就会看到这件事情的重要性。生物依靠负熵为生。或者换个不那么矛盾的说法，新陈代谢的本质是让生物成功地释放掉生命活动中不可避免产生的熵。
熵是什么？
熵是什么？首先需要强调，熵不是一个模糊的概念，而是一个可以测量的物理量，就和木棒的长度、身体中任何一点的温度、某种晶体的熔化热以及任何一种物质的比热一样。任何物质在绝对零度（大约是-273℃）下的熵都为0。（1）当你缓慢地、可逆地一点点改变物质的状态，就可以计算出增长的熵。（这种情况下，哪怕物质改变了它的物理或者化学性质，或者分离成了两份或者多份物理或化学性质不同的部分，都可以进行计算。）
1 这是“热力学第三定律”的一种表述方式。—译者注
计算的方法是，在物质状态的转变过程中，把你每次提供的微量的热，除以当时物质所处的绝对温度，然后把所有这些微小的贡献都累加起来。（1）举个例子，当你熔化固体时，它的熵增等于熔化热除以熔点的温度。可以看出，熵的单位是卡路里每摄氏度（2） （cal./℃， 就像卡路里是热量的单位，厘米是长度单位一样）。
熵的统计含义
我也必须介绍一下熵的专业定义，这纯粹是为了揭开常常笼罩在熵上的神秘面纱。对我们来说，更重要的是有序和无序的统计学概念。玻尔兹曼和吉布斯的统计物理学研究揭示了这种关系。它也是一个非常精确的定量关系，表达为：
熵=klogD
其中k 是玻尔兹曼常数（= 1.38065×10-23J/K），而D 是一个衡量考察对象中原子无序度的定量值。基本不可能用简单的、不含术语的话来确切解释D 的含义。但D 所代表的无序度，一部分来自热运动，一部分来自体系中不同种类的原子和分子，它们随机混合在一起，而不是泾渭分明。
1 即对于可逆过程，S=∫ dQ⁄T—译者注
2 1 cal./℃ = 4.2 J/K。需要注意，健身和营养学中常出现的“卡”或“大卡” 实际是指1000 卡路里，即4.2 kJ。—译者注
拿上文列举的糖和水分子为例，这个例子可以很好地解释玻尔兹曼公式。糖逐渐“扩散”到所有可触及到的水中，这就增加了无序度D，因而（因为D的对数随着D的增长而增长）也就增加了熵。而显然，给体系提供的任何热量都会增加热运动的剧烈程度，也即增加了D，从而增加了熵。这一点在晶体熔化过程中最为明显，因为熔化破坏了晶体中原子或分子的整齐、永久性的排列，而把晶格变为了持续变化着的随机分布。
对孤立系统，或者处在均一环境中的系统 （在目前的讨论中，我们尽可能把环境纳入考察体系）来说，它自身的熵不断增加，基本上很快就会趋向于最大熵这种惰性状态。
这样，我们可以把这条物理学的基本定律理解为，事物自然而然有趋向于混乱状态的倾向，除非我们有意去消除混乱。（这就好比，图书馆中的书和写字台上的纸堆和手稿会逐渐变得杂乱不堪。而无规则的热运动就可以类比为，我们把这些书籍纸张搬来搬去，却不会留心把它们放回原有的位置。）
生物组织通过从环境中汲取“秩序”而得以维持
活生物能够延缓衰退到热力学平衡（死亡）状态的脚步。我们如何用统计理论的语言来描述生物的这种了不起的能力呢？我们此前说过：“生命摄取负熵”。这其实是说，生命在为自身汲取一股负熵流，用以补偿生命活动产生的熵增，从而将自身维持在稳定的、相对较低熵的状态。
如果D 是无序的度量，那它的倒数1/D 就可以作为秩序的直接度量。因为1/D 的对数就是D 的对数加上负号。于是，我们可以把玻尔兹曼公式写成：
负熵=k/n(1/D)
于是，“负熵”这个奇怪的表述就可以被更好的“熵”代替。只要带着负号，熵本身就是有序度的度量。因此，想要维持自身稳定，并保持相当高程度的有序度（= 相当低的熵），生物采取的策略就是从它所处的环境中持续不断地吸取有序性。
和一开始相比，这个结论现在看上去不那么自相矛盾了。它现在反而显得很平常了。没错，我们很清楚高等动物从食物中充分摄取了有序度，因为食物由较为复杂的有机物组成，是极其有序的状态。动物在享用美食之后，将它变为次品形态。但这还不是最低级的形态，因为植物仍然可以利用它们。（当然，阳光是植物最强力的“负熵”供应。）
对第六章的备注
我对负熵3 3 的论述遭到了物理学同行的质疑和反对。首先我想说明，如果我迎合他们的意见，我就会把讨论的主题改为自由3 3能3。1在这个语境下，自由能是更为人熟知的概念。但是自由能是非常专业的术语，而且从语言学上似乎太接近于能量33，这使得普通读者可能意识不到两者之间的区别。
读者可能会把自由33认为只是某种修辞33，有它没它没什么关系。但实际上，自由能这个概念相当复杂，它和玻尔兹曼的有序—无序原则之间的关系，比熵和“带一个负号的熵”之间的关系更难捉摸。况且，“带一个负号的熵”也不是我发明的。它恰恰就出现在玻尔兹曼最早的论证中。
但是F.西蒙（F. Simon）已经中肯地向我指出，我这种简单的热力学考量没法解释，为什么我们必须吃“由较为复杂的有机物组成的、极其有序的”食物，而不是吃木炭或者钻石矿浆。他说得很对。不过，我必须向外行读者解释一下。
在物理学家的认识里，尚未燃烧的木炭或者钻石，连同燃烧它所需的氧气，也是非常有序的状态。让我们来证明这一点：如果你燃烧木炭，就会产生大量的热。系统通过将热量释放到环境中，来释放反应产生的大量的熵。最后，系统实际上变成了一个和燃烧前基本等熵的状态。
1 历史上，对“生命以‘负熵’为生”的批评，其中一点就在于薛定谔没有使用“自由能”的概念；而在学术上，“自由能”确实是更为准确的概念。“自由能”中不仅包含了熵，也包含了能量。在物理和化学变化中，能量和熵都在转变。一味追求“负熵”并不见得对生物有利。过分有序的结构甚至可能会阻碍生物的正常功能。在有些生化过程中，牺牲一点熵增来换取能量上的效果也是必要的。举个极端的例子：原子排列十分整齐的晶体是典型的“低熵”态，但生命并不能变成晶体。“自由能”中“自由”的含义可以理解为一个体系能够“自由支配”，实际拿出来“做事”的能量。我们知道，热力学第一定律表明能量守恒。一个物体对另一个物体（或环境）做功，只不过是能量发生了转移。但是，转移的能量中只有一部分做了实事。另外的能量，一部分变成热被耗散掉了，增加了环境的熵，另一部分可能用于物体本身的体积变化。扣除这些耗散掉的能量（给系统增加的熵），物体能够实际拿出来对外做功的能量，就是“自由能”——即物体能够“自由”支配的能量。—译者注
然而，我们并不能食用燃烧产生的二氧化碳。因此，西蒙对我的批评十分正确。食物中包含的能量成分确实很重要。因此， 我开的那个餐厅菜单中列出能量的玩笑并不恰当。我们不仅需要能量来补充身体运动消耗的机械能，还需要补充我们持续不断向环境中释放的热。而我们向环境散热并不是偶然的，而是必然的。
因为，正是通过这种方式，我们才能向环境中排出生命活动中持续不断产生的多余的熵。这似乎表明，温血动物因为体温相对较高，就拥有更快排出熵的优势，从而可以承受更剧烈的生命活动。我不确定这个论断到底有多正确（因为对这句话负责的人是我，而不是西蒙）。
有人可能会表示反对，因为从另一个角度看，许多温血动物都拥有毛皮或羽毛，它们的作用恰恰是防止热量过快流失。因此，尽管我相信体温和“生命的剧烈程度”两者之间存在关联，但这种关系更有可能直接来自于范德霍夫定律（Van’t Hoff’s law）的效果。我们在第五章第十一节末尾页提到过，升高温度会加速生物体内的化学反应。（有些动物的体温会受到环境温度的影响。在它们身上的实验证明事实的确如此。）
《生命是什么》
（知乎重磅推荐，从薛定谔的猫到薛定谔的一切生命。生命科学启蒙之书，至少有三位学者受本书启发获得诺贝尔奖！新增百余条修订，一览生命科学发展全貌。北京大学、清华大学一致推荐！）
