文 | 楚安 2018.06

我們作為個體生命的一生期揪，無不都是在與熵增對抗的一生。我們?nèi)諒鸵蝗諒沫h(huán)境中汲取「序」，渴望著永恒不斷的耗散結(jié)構(gòu)。我們無時無刻都在尋找存在的意義辛块，想要洞察黑暗森林的終極定律。我們終其一生試圖保持低熵的平衡铅碍，卻終究難逃時間之矢的宿命润绵。在我們所含的全部原子按照熱力學第二定律回歸自然之前，它們既經(jīng)歷過物性的種種神奇胞谈，也產(chǎn)生過人性的處處可愛尘盼。生命，一直以-KlogW為生烦绳。

不僅僅是生命卿捎，組織的演化、社會的變遷径密、城市的治理午阵、信息的傳遞、世間的萬事享扔、神秘的黑洞趟庄、文明的興衰括细，都包含在熵之公式中。而無窮的宇宙戚啥，在這公式之中是一場盛大華麗無比浪漫的慢性熱寂自殺奋单，熵增只是舞臺一旁靜靜觀察冷酷無情的死神。萬物速朽猫十，唯有熵增永生览濒。

從熱力學四定律說起

人類對于熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認識，經(jīng)歷了漫長而又曲折的探索過程拖云。公元前100萬年贷笛，早在智人之前的直立人，開始利用火來驅(qū)趕寒冷和烤熟食物宙项。公元前1萬年乏苦，燧人氏開始鉆木取火，想要嘗試駕馭火尤筐。公元前100多年汇荐，漢武帝妄想長生不老明間廣求煉丹，無意之中促成了火藥的發(fā)明盆繁。一直以來掀淘，火都是人類演化過程中重要的轉(zhuǎn)折點。

到了17世紀油昂，培根（Francis Bacon）開始意識到物體的冷熱程度（溫度）是有區(qū)別的革娄，并且認為「熱是一種運動」。伽利略（Galileo Galiliei）制作了第一個空氣溫度計冕碟，馮·格里克（Otto von Guericke）利用馬德堡半球?qū)嶒炞C明了真空的存在拦惋，羅伯特·波義耳（Robert Boyle）提出了波義耳定律。

18世紀安寺，詹姆斯·瓦特（James von Breda Watt）利用分離冷凝器改進了蒸汽機的效率厕妖，工業(yè)革命正式拉開帷幕。法倫海脫（Gabriel Daniel Farenheit）提出了華氏溫標我衬，攝爾修斯（Anders Celsius）建立了攝氏溫標，人類意識到原來「熱量」是熱的份量饰恕，而「溫度」是熱的強度挠羔。19世紀，阿佛加德羅常數(shù)埋嵌、理想氣體狀態(tài)方程相繼提出破加，尼古拉·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot）于1824年發(fā)表著作《論火的動力》論述了卡諾熱機和卡諾循環(huán)，熱力學正式成為一門現(xiàn)代科學雹嗦。

19世紀40至50年代范舀，邁爾（JR Meyer）合是、焦耳（James Prescott Joule）等相繼有了「功能互換及能量守恒」的意識，隨后逐步提出并完善熱力學第一定律锭环，熱功守恒定律聪全。卡諾定理提出8年后辅辩，開爾文（William Thomson）难礼、克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）才相繼看到相關(guān)論文，熱力學第一定律與卡諾定理之間的矛盾促使了熱力學第二定律的提出玫锋。一個孤立系統(tǒng)蛾茉，總由有序而朝向均勻、簡單撩鹿、消滅差別的無序方向發(fā)展谦炬。克勞修斯隨后提出了熵的概念和表述节沦，并擴展的宇宙尺度键思，提出了「宇宙熱寂說」。

熱一和第二幾乎同一時期形成散劫，直到二十世紀初稚机，能斯特（Walther Hermann Nernst）正式提出了熱三定律，認為通過任何有限個步驟都絕對零度不可達获搏。二十世紀三十年代赖条，英國物理學家拉爾夫·福勒（Sir Ralph Howard Fowler）正式提出熱力學第零定律，即熱平衡定律常熙。這比熱力學一和熱二定律晚了80余年纬乍，但因是后面幾個定律的基礎(chǔ)，所以編號為零裸卫。

至此仿贬，熱力學四定律初步完成。而這其中墓贿，熱力學第二定律又有著幾十種不同的等價表述茧泪，常見的如開爾文表述、克勞修斯表述聋袋、卡洛表述队伟、普朗克表述、玻爾茲曼表述等幽勒。

克勞修斯表述下的熵

「不可能將熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化」嗜侮。克勞修斯從卡諾定理推導出了態(tài)函數(shù)（狀態(tài)參數(shù)）「熵」和克勞修斯不等式「S<=Q/T」⌒饪牛「熵」在希臘語中意為「內(nèi)在」顷霹，即「一個系統(tǒng)內(nèi)在性質(zhì)的改變」。1923年击吱，德國物理學家普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）來中國講學時用到 entropy 這個詞淋淀，胡剛復教授在翻譯時把「商」字加火旁來意譯 entropy，創(chuàng)造了「熵」字姨拥，因為熵S是Q（熱量）除以T（溫度）的商數(shù)绅喉。

克勞修斯表述揭示了熵增原理「孤立系統(tǒng)中熵總是增大或不變不能減少」。在孤立系統(tǒng)的能量傳送與轉(zhuǎn)換過程中叫乌，能量的數(shù)量是保持不變的柴罐，但能量的品質(zhì)卻總是在下降，無法100%的利用憨奸，極限條件是保持不變革屠，即「能量總是在不斷貶值」。即能量的總和 = 有效能量 + 無效能量排宰，熵即為就是系統(tǒng)中的無法再利用的能量似芝，熵是對不能成功轉(zhuǎn)化的能量的度量。

放到整個宇宙尺度板甘，宇宙是一個孤立系統(tǒng)党瓮，總的能量也是一個常數(shù)，而每一次的能量轉(zhuǎn)化盐类，都必然在不斷產(chǎn)生熵寞奸，有效能量不斷減少，而無效能量不斷增多在跳。總有一天枪萄，所有的有效能量都將變成無效能量，即達到「熱寂」的狀態(tài)猫妙，也是宇宙死亡的狀態(tài)瓷翻。

玻爾茲曼表述下的熵

克勞修斯表述提出了「熵」，但并沒有解釋熵產(chǎn)生的原因割坠，也沒有闡述熵的物理意義齐帚。此后的數(shù)十年里，開始出現(xiàn)一種的關(guān)于熱的觀念彼哼，玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）也開始建立一門新科學-統(tǒng)計力學对妄。統(tǒng)計力學認為，認為宏觀尺度的屬性「熱」是由微觀尺度屬性「分子運動」產(chǎn)生的沪羔。

1877年饥伊，玻爾茲曼發(fā)現(xiàn)單一系統(tǒng)中的熵跟構(gòu)成熱力學性質(zhì)的微觀狀態(tài)數(shù)量相關(guān)，運用統(tǒng)計力學的方法提出了玻爾茲曼熵公式蔫饰，即S∝lgW琅豆，W為宏觀狀態(tài)下包含微觀狀態(tài)數(shù)量。1900年篓吁，普朗克為公式增加了一個常數(shù)K茫因，命名為玻爾茲曼常數(shù)，于是熵的微觀定義公式變?yōu)镾=KlogW杖剪，而該公式后來也被刻到了玻爾茲曼的墓碑上冻押。

玻爾茲曼建立了系統(tǒng)宏觀態(tài)和微觀態(tài)之間的聯(lián)系，指出了熱力學第二定律的本質(zhì)：熵增原理表示的孤立系統(tǒng)中的熱力學方向性盛嘿，正相應(yīng)于系統(tǒng)從熱力學概率小的狀態(tài)向熱力學概率大的狀態(tài)過渡洛巢。自發(fā)性熵減的過程不是絕對不可能，只是概率極小而已次兆。

玻爾茲曼沿用麥克斯韋的方法也將氣體分子模型化為箱中相互碰撞的臺球稿茉，而隨著分子間的碰撞，速度分布會變得更為無序芥炭，最終導致了系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)均一漓库，而微觀處于最為無序的狀態(tài)，或者說系統(tǒng)的熵趨于最大值园蝠。由此他提出熱力學第二定律是微觀世界的最概然狀態(tài)為無序在宏觀的表現(xiàn)渺蒿。之所以微觀世界的最概然狀態(tài)（即最可能處于的狀態(tài)）是無序態(tài)，是由于無序的微觀狀態(tài)數(shù)遠多于有序的微觀狀態(tài)數(shù)彪薛。

玻爾茲曼表述下的熵茂装，是一個系統(tǒng)無序程度（或者說是復雜程度）的度量，或者說是無序分子運動紊亂程度的一種度量陪汽。一個系統(tǒng)越無序训唱，可以看作是微觀狀態(tài)分布越均勻。

麥克斯韋妖思想實驗

愛丁頓在《物理世界的本質(zhì)》一書中寫道「熵增定律在自然界定律中具有至高無上的地位挚冤，如果你的理論被發(fā)現(xiàn)違背了熱力學第二定律况增，你一點希望也沒有，結(jié)局必然是徹底崩塌」训挡。愛因斯坦也同樣說過類似的話澳骤，「人類的知識再往前推進，牛頓力學可能不對澜薄，量子力學可能不對为肮，相對論可能也不對，唯有熵的公式是永恒的」肤京。

1871年颊艳，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）為了說明違反熱力學第二定律的可能性茅特，提出了物理學「四大神獸」之一的麥克斯韋妖（其余三個是芝諾的烏龜、薛定諤的貓棋枕、拉普拉斯的獸）白修。當時麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機制，但他無法清晰地說明這種機制重斑。在《論熱能》一書中兵睛，麥克斯韋提出了一個思想實驗。假設(shè)一個箱子被一塊無質(zhì)量無摩擦的隔板隔成兩部分窥浪，隔板上有一個小妖把守著的活門祖很，小妖能夠洞察每個分子的一舉一動。對于右邊來的分子漾脂，如果速度快假颇，他就打開活門讓其通過，如果速度慢則關(guān)上活門拒絕其通過骨稿。一段時間以后拆融，箱子左邊的分子速度就快很快（熱系統(tǒng)變得更熱），右邊則變得很慢（冷系統(tǒng)變得更冷）啊终，原本溫度平衡的箱子出現(xiàn)了一半熱一半冷的現(xiàn)象镜豹，整個封閉系統(tǒng)沒有做功但卻出現(xiàn)了熵減，全程只有一個眼光銳利手腳麻利的智能生物在工作蓝牲。

19世紀末20世紀初趟脂，無數(shù)杰出的大腦都想解決麥克斯韋妖的問題。1929年匈牙利物理學家利奧·西拉德（Leo Szilard）在「熱力學系統(tǒng)在智能生物的干預下熵的減少」一文中提出例衍，是小妖的「智能」昔期，即獲取信息的行為做了功。小妖在測量分子是快還是慢的過程中佛玄，需要能量來測量獲取信息比特硼一，因此勢必會產(chǎn)生一定的熵，且數(shù)量不少于分子變的有序而減少的熵梦抢。箱子般贼、分子和小妖組成的整個系統(tǒng)，依然遵循熱力學第二定律奥吩。西拉德第一次帶領(lǐng)人類認識到了信息的物理本質(zhì)哼蛆，也第一次將信息與熵聯(lián)系起來，比香農(nóng)提出信息熵要提出要早了19年霞赫。

1961年腮介，IBM物理學家羅夫·蘭道爾（Rolf Landauer）提出并證明了蘭道爾原理，即計算機在刪除信息的過程中會對環(huán)境釋放出極少的熱量端衰。從熵的角度看待這個問題叠洗，一個隨機二元變量的熵是1比特甘改，具有固定數(shù)值時的熵為0，不管初始值為1或0消除信息的結(jié)果使得這個2元系統(tǒng)的熵從0增加到1比特灭抑，必然有電能轉(zhuǎn)換成了熱能被釋放到環(huán)境中楼誓，這也是我們的電腦不斷發(fā)熱的原因，該熱量的數(shù)值與環(huán)境溫度成正比名挥，刪除信息的過程中電能轉(zhuǎn)變成熱能是不可逆的熱力學過程，因而計算機通過計算而散發(fā)熱量的過程也是不可逆的主守。

在西拉德意識到「獲取信息做了功」50年之后的20世紀80年代禀倔，數(shù)學家班尼特（Charles Bennett）在《計算的熱力學》一文中證明，小妖可以非常巧妙的方式觀察并記住信息同時又不增加熵参淫。班尼特的證明之后成了可逆計算的基礎(chǔ)救湖，他證明在理論上可以進行任何計算而不用耗費能量，測量可以不消耗能量涎才。

蘭道爾原理和班尼特證明共同指出鞋既，并不是測量行為，而是擦除記憶的行為耍铜，必然會增加熵邑闺，「遺忘是以消耗能量為代價的」。班尼特接著證明棕兼，小妖如果要工作陡舅，到一定的時候就必須擦除記憶，擦除的動作產(chǎn)生的熵可以抵消盒子減少的熵伴挚。

2012年靶衍，德國奧格斯堡大學的魯茲（Eric Lutz）和他的同事，用實驗驗證蘭道爾的信息擦除原理茎芋，根據(jù)實驗結(jié)果得出信息的消除具體需要多少能量颅眶，證明了蘭道爾的理論確實是正確的。至此田弥，140余年的麥克斯韋妖終于被終結(jié)涛酗。

香農(nóng)定理與信息之熵

1929年西拉德是第一個將信息與熵聯(lián)系起來的人。1940年偷厦，博士畢業(yè)的香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）進入貝爾實驗室研究密碼學與通信技術(shù)煤杀，開始思考一個問題「信息是否可以量化」。1948年AT&T《貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊》上沪哺，刊登了一篇79頁意義深遠的宏偉論文《通信的數(shù)學理論》沈自，從此開辟了信息論這一領(lǐng)域。

文中香農(nóng)定義了信息量辜妓，將熱力學熵引入信息論枯途，在玻爾茲曼熵的基礎(chǔ)上給出了更為基礎(chǔ)廣泛的信息熵的定義忌怎。信息熵的本質(zhì)上是對我們司空見慣的「不確定現(xiàn)象」的數(shù)學化度量，香農(nóng)在文章中將信息熵與不確定度「Uncertainty」等價使用的酪夷。一條信息消除的不確定性越大（即熵減越大）榴啸，它蘊含的信息量越大。

香農(nóng)同時也給出了用于測量信息的單位比特（bit 二進制數(shù)字 binary digit的縮寫）以及香農(nóng)三定理晚岭。比特作為衡量信息多少的單位鸥印，已經(jīng)躋身公尺、千克坦报，分鐘之列库说，成為了日常生活中的最常見的量綱之一。在香農(nóng)眼中片择，信息是和長度潜的，重量這些物理屬性一樣，是種可以測量和規(guī)范的東西字管。由于對于通信系統(tǒng)而言啰挪，其傳遞的信息具有隨機性，所以定量描述信息應(yīng)基于隨機事件嘲叔。任何信息都存在冗余亡呵，冗余大小與信息中每個符號（數(shù)字、字母或單詞）的出現(xiàn)概率或者說不確定性有關(guān)硫戈。

時間之矢與對稱破缺

時間有箭頭嗎政己？這個問題從蘇格拉底以來到20世紀之前，一直困惑著哲學家掏愁、藝術(shù)家歇由、文學家和科學家。從過去到現(xiàn)在果港，從現(xiàn)在到未來沦泌，時間似乎永遠只朝著一個方向流逝。在任何時刻辛掠，時間的腳步都不會停滯不前或是向后倒退谢谦。

然而奇怪的是，如果時間倒走萝衩，現(xiàn)代物理學的幾座大廈回挽，牛頓的經(jīng)典力學、愛因斯坦的相對論猩谊、海森堡和薛定諤的量子力學千劈，也都通通站得住腳。對這些理論而言牌捷，記錄在影片上的事件墙牌，不管影片順放還是倒放涡驮，都行得通。單向的時間喜滨，只是我們腦中的幻覺捉捅？

克勞修斯引入「熵」的概念給了物理學家愛丁頓（A.S.Eddington）極其深刻的印象，他寫道「我希望把熵的概念在科學研究中令人驚奇的威力虽风，原原本本地告訴你」棒口。1927年，愛丁頓在愛丁堡大學發(fā)表演說「時間行走像一支箭」辜膝，「時間之矢」這個詞第一次被提出來无牵，形象地描繪了時間的不可逆的特性，正如脫離弓弦而出的箭内舟，一直向前永不回頭。

基本物理學的很多定律都是關(guān)于時間對稱的初橘，即過去验游、現(xiàn)在、未來的任何時刻定律都是一樣保檐，時間正序倒序也一樣耕蝉，「演化」在這些理論中沒有太深的意義。而在熱力學中夜只，熵把每個時刻都加以區(qū)別垒在，也指出了「將來」的方向。熵的出現(xiàn)第一次定義了時間的方向扔亥，第一次賦予了時間以箭頭场躯，也第一次打破了基本物理定律的時間反演對稱。

熱力學第二定理隱含著一種由孤立系統(tǒng)的有序度變化所指定的時間方向旅挤，也就是說踢关，隨著時間流逝系統(tǒng)總是越來越無序，這種不對稱性可用于區(qū)分過去和未來粘茄。換句話說签舞，孤立系統(tǒng)在未來將越來越無序，因而我們可以通過測量一個孤立系統(tǒng)的熵來確定時間的方向柒瓣。

物理學生物學的矛盾

「熵」概念的提出儒搭，是十九世紀科學思想的一個巨大貢獻，它的意義完全可以和生物學中的「進化」概念相媲美芙贫，十九世紀的熱力學和生物學都涉及到世界運動變化的方向搂鲫，即「時間之矢」的問題。但是磺平，這兩門學科所提出的「時間之矢」的方向卻截然不同默穴。

熱力學第二定律說明的是一個孤立系統(tǒng)朝著均勻怔檩、無序、簡單蓄诽，趨向平衡態(tài)的方向演化薛训。這實際上是一種退化的方向÷胤眨克勞修斯把這一理論推廣到全宇宙乙埃，就得出了「宇宙熱寂說」的悲觀結(jié)論。而生物學描述的卻是系統(tǒng)從無序到有序锯岖，由簡單到復雜介袜，由低級到高級，由無功能到有功能．多功能的有組織的方向發(fā)展出吹，這是一個進化的方向遇伞。在生物界和人類社會中這種進化的現(xiàn)象最為明顯，于是產(chǎn)生了一個克勞修斯和達爾文的矛盾捶牢，退化和進化的矛盾鸠珠，似乎生物界包括人類社會遵循著與物理世界完全不同的規(guī)律，有著迥然不同的演化方向秋麸。

熱力學和生物學之間的這一矛盾渐排，引起了許多科學家的廣泛注意，麥克斯韋妖便是其中之一灸蟆。物理學家威格納（Wigner,Eugene Pau1）曾經(jīng)說「近代科學中最重要的間隙的什么驯耻？顯然是物理科學和精神科學的分離」涣脚。柯伊萊（A.Koyre）則指出煮甥，牛頓用他的經(jīng)典力學「把分隔天體和地球之間的壁壘推倒，并且把兩者結(jié)合起來惶室，統(tǒng)一成為一個整體的宇宙」斋枢。但是他卻把「我們的世界一分為二」城看，即分成一個物理世界「量的世界」，一個生物的世界「質(zhì)的世界」杏慰，于是形成了兩個世界测柠。兩種科學，兩類文化缘滥，兩者之間存在著巨大的鴻溝轰胁。怎樣把兩者統(tǒng)一起來呢？能否用物理學的觀點來全面地解釋生命的特點及其進化的過程朝扼，使生物學成為研究生命系統(tǒng)的物理科學實現(xiàn)自然科學的大統(tǒng)一赃阀？

生命依賴負熵流為生

1942年，薛定諤在三一學院的講臺上，面對愛爾蘭總統(tǒng)等一眾嘉賓榛斯，在「生命是什么」的主題演講中提到观游，「自然萬物都趨向從有序到無序，即熵值的增加驮俗。而生命需要通過不斷抵消其生活中產(chǎn)生的正熵懂缕，使自己維持在一個穩(wěn)定而低的熵水平上。生命以負熵為生王凑√赂蹋」1944年，薛定諤把這一演講主題寫作成書索烹，即《生命是什么》工碾，引導了以DNA為標志的現(xiàn)代生物學發(fā)展。

熱力學第二定律說道「在孤立熱力學系統(tǒng)中百姓，系統(tǒng)的熵永不減少」渊额。熵是用來表征系統(tǒng)混亂程度的物理量，因此這條定律實際上是在說垒拢，孤立系統(tǒng)的混亂程度永遠是在增加的旬迹。直到達到熱平衡，系統(tǒng)的熵達到了極大值子库，系統(tǒng)狀態(tài)將不再改變舱权，歸于沉寂矗晃。

然而仑嗅，生命現(xiàn)象卻似乎是個例外。生命是一種總是維持低熵的奇跡张症。一個生命仓技，在它活著的時候，總是保持著一種高度有序的狀態(tài)俗他，各個器官各個細胞的運作井井有條脖捻。它并不會立即達到一種類似熱力學平衡的不再活動的狀態(tài)，相反兆衅，生物能夠主動「做某些事情」地沮、運動以及不斷與外界進行物質(zhì)能量交換恰恰是生物區(qū)別于普通物體的一個重要因素。而一個生命一旦死去羡亩，就會很快被熵增原理的強大威力給收服摩疑，很快將趨于熱平衡狀態(tài)，變成一片死寂的一堆極其無序的物質(zhì)畏铆。那么雷袋，究竟是什么原因使得生命看似違背了普適的熵增原理呢？

問題的根源就在于辞居，熱力學第二定律只是用于「孤立系統(tǒng)」楷怒，即與外界沒有物質(zhì)蛋勺、能量交換的系統(tǒng)。而生命之所以能長時間維持自身處在低熵有序狀態(tài)鸠删，其秘訣正是在于它與外界的物質(zhì)能量交換抱完，即新陳代謝。

我們要搞清楚的是冶共，新陳代謝的目的本質(zhì)并不是交換物質(zhì)乾蛤。構(gòu)成我們身體的原子，無非就是碳氫氧氮磷硫捅僵，和外界的普通原子沒有什么區(qū)別家卖，僅僅交換原子并不能給生命帶來直接好處。

更應(yīng)該明確的是庙楚，新陳代謝的目的本質(zhì)也不是交換能量上荡。似乎很長一段時間里，人們一直把吃飯喝水看成是單純的吸收能量馒闷，認為生命以能量為生酪捡，而且至今大部分沒有學過物理學的人也是這么看待的，人們滿足于這樣一種簡單的理解纳账。但是逛薇，「其實這非常荒唐疏虫，因為一個成年有機體所含的能量跟所含的物質(zhì)一樣永罚，都是固定不變的。既然體內(nèi)一個卡路里跟體外一個卡路里的價值是一樣的卧秘，那么呢袱，確實不能理解單純的能量交換究竟有什么用處〕岬校」

那么羞福，新陳代謝的本質(zhì)究竟是什么呢？到底是怎樣一種物理過程使得生命得以維持低熵蚯涮，避免死亡呢治专？其答案就是，從環(huán)境中不斷地汲取負熵遭顶，生命以負熵為生张峰。或者說新陳代謝的本質(zhì)就是液肌，從外界不斷地汲取負熵挟炬，以抵消生命運作過程中不得不產(chǎn)生的熵增。

普利高津與耗散結(jié)構(gòu)

耗散結(jié)構(gòu)是普利高津（Llya Prigogine）在研究不違背熱力學第二定律情況下，如何闡明生命系統(tǒng)自身的進化過程時提出的新概念谤祖。普利高津因此而榮獲1977年度諾貝爾化學獎婿滓。

什么是耗散結(jié)構(gòu)？用通俗的話來講粥喜，就是一個遠離平衡的包含有多組分多層次的開放系統(tǒng)凸主，在外界條件變化達到一定閾值時，經(jīng)「漲落」的觸發(fā)额湘，量變可能引起質(zhì)變卿吐；系統(tǒng)通過不斷與外界進行物質(zhì)和能量交換，在耗散過程中產(chǎn)生負熵流锋华，就可能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時間嗡官、空間或功能的有序狀態(tài)。這種非平衡態(tài)下形成的新的有序結(jié)構(gòu)毯焕，就是耗散結(jié)構(gòu)衍腥。

耗散結(jié)構(gòu)是指一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，在不斷與外界交換物質(zhì)和能量的過程中纳猫，通過內(nèi)部非線性動力學機理婆咸，自動從無序狀態(tài)形成并維持的在時間上、空間上或功能上的有序結(jié)構(gòu)狀態(tài)芜辕，或叫非平衡有序結(jié)構(gòu)尚骄。耗散結(jié)構(gòu)遍及宇宙中各種系統(tǒng)，如貝納德流侵续、激光倔丈、云街、化學振蕩询兴、生物結(jié)構(gòu)乃沙，乃至城市起趾、國家等诗舰。

耗散結(jié)構(gòu)，實質(zhì)上就是非平衡系統(tǒng)中的自組織狀態(tài)训裆。耗散結(jié)構(gòu)理論是非線性非平衡態(tài)熱力學眶根，其基本思想是認為「非平衡是有序之源，漲落是非平衡相變的觸發(fā)器」边琉。系統(tǒng)開放性属百、遠離平衡態(tài)、非線性作用及微觀過程協(xié)同性是出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的必要條件变姨。

耗散結(jié)構(gòu)理論指出族扰，系統(tǒng)從無序狀態(tài)過渡到這種耗散結(jié)構(gòu)有幾個必要條件，一是系統(tǒng)必須是開放的，即系統(tǒng)必須與外界進行物質(zhì)渔呵、能量的交換怒竿；二是系統(tǒng)必須是遠離平衡狀態(tài)的，系統(tǒng)中物質(zhì)扩氢、能量流和熱力學力的關(guān)系是非線性的耕驰；三是系統(tǒng)內(nèi)部不同元素之間存在著非線性相互作用，并且需要不斷輸入能量來維持录豺。

在平衡態(tài)和近平衡態(tài)朦肘，漲落是一種破壞穩(wěn)定有序的干擾，但在遠離平衡態(tài)條件下双饥，非線性作用使?jié)q落放大而達到有序媒抠。偏離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過漲落，在越過臨界點后「自組織」成耗散結(jié)構(gòu)咏花，耗散結(jié)構(gòu)由突變而涌現(xiàn)领舰，其狀態(tài)是穩(wěn)定的。耗散結(jié)構(gòu)理論指出迟螺，開放系統(tǒng)在遠離平衡狀態(tài)的情況下可以涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)冲秽。地球上的生命體都是遠離平衡狀態(tài)的不平衡開放系統(tǒng)，它們通過與外界不斷地進行物質(zhì)和能量交換矩父，經(jīng)自組織而形成一系列的有序結(jié)構(gòu)锉桑。可以認為這就是解釋生命過程的熱力學現(xiàn)象和生物的進化的熱力學理論基礎(chǔ)之一。在生物學窍株，微生物細胞是典型的耗散結(jié)構(gòu)民轴。在物理學，典型的例子是貝納特流球订。廣義的耗散結(jié)構(gòu)可以泛指一系列遠離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)后裸，它們可以是力學的、物理的冒滩、化學的微驶、生物學的系統(tǒng)，也可以是社會的經(jīng)濟系統(tǒng)开睡。耗散結(jié)構(gòu)理論的提出因苹，對于自然科學以至社會科學，已經(jīng)產(chǎn)生或?qū)⒁a(chǎn)生積極的重大影響篇恒。耗散結(jié)構(gòu)理論促使科學家特別是自然科學家開始探索各種復雜系統(tǒng)的基本規(guī)律扶檐，開始了研究復雜性系統(tǒng)的攀登。

耗散結(jié)構(gòu)的特征：

存在于開放系統(tǒng)中胁艰，靠與外界的能量和物質(zhì)交換產(chǎn)生負熵流款筑，使系統(tǒng)熵減少形成有序結(jié)構(gòu)智蝠。耗散即強調(diào)這種交換。對于孤立系統(tǒng)奈梳，由熱力學第二定律可知寻咒，其熵不減少，不可能從無序產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)颈嚼。

保持遠離平衡態(tài)毛秘。貝納特流中液層上下達到一定溫度差的條件就是確保遠離平衡態(tài)。

系統(tǒng)內(nèi)部存在著非線性相互作用阻课。在平衡態(tài)和近平衡態(tài)叫挟，漲落是一種破壞穩(wěn)定有序的干擾，但在遠離平衡態(tài)條件下限煞，非線性作用使?jié)q落放大抹恳，達到有序。

管理就是一場反熵增

第一個將「熵」的概念引入管理領(lǐng)域的是管理學大師署驻、現(xiàn)代管理學之父彼得·德魯克（Peter F. Drucker）奋献。他認為「如果管理只剩下一件事，就是如何對抗熵增」旺上，只有在對抗熵增過程中瓶蚂，企業(yè)的生命力才會增加，而不是默默走向死亡宣吱。

一個企業(yè)隨著時間的推移窃这，一定會有變得渙散化、官僚化征候、失效化杭攻，甚至滅亡的傾向，也逃不開熱力學第二定律疤坝。熵增是最大尺度兆解、最底層原理解釋了創(chuàng)新者的窘境。為什么大公司會死亡跑揉，就是因為熵增定律锅睛。所以如果你不對組織采取任何措施和行動，它自然會慢慢走向混亂狀態(tài)畔裕。那么這個避免混亂衣撬，采取措施的過程就是管理乖订，就是對抗企業(yè)的熵增扮饶。

1998年，貝佐斯（Jeff Bezos）在一封亞馬遜致股東信里說到「We want to fight entropy」乍构√鹞蓿回顧亞馬遜的發(fā)展歷程扛点，此后「反熵增」一直是貫穿亞馬遜二十來年發(fā)展的核心思想。貝佐斯不斷的建立亞馬遜的「耗散結(jié)構(gòu)」岂丘，不在意囤積公司利潤陵究，更在意「自由現(xiàn)金流」，不斷地讓錢流動起來奥帘。同時铜邮，持續(xù)進軍新的領(lǐng)域，甚至是看起來和公司主營業(yè)務(wù)相競爭的領(lǐng)域寨蹋。AWS云服務(wù)松蒜、FBA物流體系這樣的明星服務(wù)，一開始都是看似與主營業(yè)務(wù)相悖的已旧。貝佐斯認為秸苗，公司內(nèi)部的業(yè)務(wù)塑造成一個商業(yè)化的對外服務(wù)時，它就要面對市場競爭运褪，并不斷打磨自己的服務(wù)惊楼，最終提高自己的核心競爭力。其實這正是一個開放的系統(tǒng)秸讹，不斷地和外界交換能量的過程檀咙，不斷反熵增的過程。

在貝佐斯大聲喊出要反熵增的兩年后璃诀，在太平洋彼岸的另一家公司開始經(jīng)歷維艱的階段攀芯。2000年，華為負面效應(yīng)集中爆發(fā)文虏，在任正非的這段至暗時刻中侣诺，中國人民大學商學院教授、華為首席管理科學家黃衛(wèi)偉推薦給任正非一本書《熱力學第二定律》氧秘，熱力學第二定律宛如為任正非開了天眼一樣年鸳，幫助華為度過了這段至暗時刻。任正非頓悟丸相，「自然科學跟社會科學有類似的規(guī)律搔确，企業(yè)發(fā)展的自然法則也是熵由低到高，逐漸走向混亂灭忠，并失去發(fā)展動力膳算。因此，死亡是一個哲學命題弛作，而活下去則是一個現(xiàn)實命題涕蜂。……前些年我提出活下去作為華為的最低綱領(lǐng)映琳，現(xiàn)在我終于明白了机隙，活下去是企業(yè)的最高綱領(lǐng)蜘拉。」

2011年有鹿，任正非在一次華為內(nèi)部市場大會上說道「公司長期推行的管理結(jié)構(gòu)就是一個耗散結(jié)構(gòu)旭旭，我們有能量一定要把它耗散掉，通過耗散葱跋，使我們自己獲得一個新生持寄。什么是耗散結(jié)構(gòu)？你每天去鍛煉身體跑步娱俺，就是耗散結(jié)構(gòu)际看。為什么呢？你身體的能量多了矢否，把它耗散了仲闽，就變成肌肉了，就變成了堅強的血液循環(huán)了僵朗。能量消耗掉了赖欣，糖尿病也不會有了，肥胖病也不會有了验庙，身體也苗條了顶吮，漂亮了，這就是最簡單的耗散結(jié)構(gòu)粪薛。那我們?yōu)槭裁匆纳⒔Y(jié)構(gòu)呢悴了？大家說，我們非常忠誠這個公司违寿，其實就是公司付的錢太多了湃交，不一定能持續(xù)。因此藤巢，我們把這種對企業(yè)的熱愛耗散掉搞莺，用奮斗者，用流程優(yōu)化來鞏固掂咒。奮斗者是先付出后得到才沧，與先得到再忠誠，有一定的區(qū)別绍刮，這樣就進步了一點温圆。我們要通過把我們潛在的能量耗散掉，從而形成新的勢能孩革∷昵福」

2017年，任正非簽發(fā)華為2017年第003號總裁辦電子郵件「華為之熵光明之矢」嫉戚，「熵和生命活力刨裆，就像兩支時間之矢澈圈，一頭拖拽著我們進入無窮的黑暗彬檀，一頭拉扯著我們走向永恒的光明」帆啃。任正非認為，自然科學與社會科學有著同樣的規(guī)律窍帝。對于企業(yè)而言努潘，企業(yè)發(fā)展的自然法則也是熵由低到高，逐步走向混亂并失去發(fā)展動力坤学》枥ぃ「企業(yè)要想生存就要逆向做功，把能量從低到高抽上來深浮，增加勢能压怠。」

「熵減的過程是痛苦的飞苇，但前途是光明的」菌瘫，根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論和基礎(chǔ)，華為建立了「華為宏觀活力引擎」布卡、「華為微觀活力引擎」用以對抗企業(yè)層面雨让、人力資源層面的熵增》薜龋可以說任正非的管理思想管理總綱栖忠，從熱力學第二定律中得到了不少啟發(fā)。

信息安全的熵增對抗

安全是一門關(guān)于對抗的技術(shù)贸街，安全的本質(zhì)是對威脅或風險的理解庵寞。從人類誕生之初，安全問題就一直夢魘般的伴隨著人類的發(fā)展薛匪。

Michal Zalewski在「Web之困」一書中描述了安全的困境以及作為一個安全從業(yè)者的困惑皇帮。「表面上來看蛋辈，信息安全領(lǐng)域?qū)儆谟嬎銠C科學里面很成熟属拾、明確且碩果累累的一個分支，自以為無所不知的專家們通過展現(xiàn)他們那分類清晰冷溶、數(shù)量龐大的安全漏洞集來標榜這一領(lǐng)域的重要性渐白。至于那些漏洞的責任嘛，就全部歸到那些『安全文盲』的程序員們頭上好了逞频。而理論家們則會從旁指點纯衍，說只要遵從今年某熱門的某某安全方法學，早就能把這些問題防范于未然苗胀。安全問題更是帶動了一個產(chǎn)業(yè)的繁榮襟诸，但對用戶來講瓦堵，從普通計算機用戶到龐大的國際公司等，其實并沒有帶來什么有效的安全保障歌亲」接茫」

「從根本上來說，過去幾十年陷揪，我們甚至沒能構(gòu)建出一個哪怕原始但至少還算可用的框架來理解和評估現(xiàn)代軟件的安全性惋鸥。……現(xiàn)在的重點幾乎都放在一些響應(yīng)性質(zhì)的、次要的安全方法『如漏洞管理悍缠、惡意軟件和攻擊檢測卦绣、沙盒技術(shù)以及其他』，要不就是常常對他人的代碼里的漏洞指指點點飞蚓÷烁郏……」

如Zalewski所說，關(guān)于「到底什么是安全趴拧？」一直以來也沒有一個業(yè)界認同的定義溅漾，更不用說「如何才能搞清楚安全」。伊萬·阿爾塞（Ivan Arce）在2000年左右嘗試對「安全」這門技術(shù)下一個定義八堡，「如果系統(tǒng)能按既定的方式完成任務(wù)樟凄，不做額外的事情，那這套系統(tǒng)就是安全的」⌒置欤現(xiàn)在回過頭來看缝龄，這句話多多少少是有問題的，同時也是違法熱力學第二定律的挂谍。20世紀六十年代叔壤，貝爾-拉帕杜拉安全模型（Bell-La Padula ）指出「當僅當系統(tǒng)開始于安全的狀態(tài)，而且一直不會落入非安全狀態(tài)口叙，它才是安全的」炼绘。

檢測模型從上線開始就在不斷衰減，而對抗卻日復一日的在升級妄田“沉粒可以斷言的是，一個系統(tǒng)初始狀態(tài)是安全的疟呐，但如果此后什么都不做脚曾，一定會跌入到非安全的狀態(tài)。這一點和孤立系統(tǒng)的「熱寂」是一致的启具。安全的「時間之箭」同熵增的方向一致本讥，由安全狀態(tài)到非安全狀態(tài)的跌落，實質(zhì)上就是系統(tǒng)的安全熵在不斷增大的過程。安全是一門對抗的技術(shù)拷沸，對抗的表現(xiàn)是同威脅色查、風險、攻擊者的對抗撞芍，而對抗的本質(zhì)其實是對抗熵增的過程秧了。如果安全也只剩一件事，那一定也是反熵增勤庐。

WannaCry示惊、Stuxnet等等一系列全球范圍影響較大的安全事件也在不斷教育人類好港，封閉系統(tǒng)并不代表安全愉镰，唯有保持開放、遠離平衡態(tài)的耗散架構(gòu)才能救安全钧汹。防御者依賴負熵為生丈探，只有源源不斷從環(huán)境中汲取數(shù)據(jù)萃取數(shù)據(jù)抵消熵增，才能維持安全低熵體的狀態(tài)拔莱。

黑洞之熵與霍金輻射

熵在相繼征服了熱力學碗降、信息論、生物學塘秦、社會學讼渊、管理學等等領(lǐng)域之后，并未停止過前進的步伐尊剔。而這一次爪幻，它邁向了宇宙中最神秘的天體-黑洞。

1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論须误，在一年后的一站前線的戰(zhàn)壕里挨稿，重病纏身的史瓦西驚人的給出了廣義相對論的第一個嚴格解，后人稱之為史瓦西解京痢。史瓦西解的物理意義是奶甘，如果物體被壓縮到史瓦西半徑范圍之內(nèi)，將沒有任何已知類型的力可以阻止該物體在自身引力的條件下將自己壓縮成一個黑洞祭椰。

1973年霍金臭家、卡特爾（B.Carter）等人嚴格證明了「黑洞無毛定理」，無論什么樣的黑洞方淤，其最終性質(zhì)僅由質(zhì)量钉赁、角動量、電荷唯一確定臣淤。即當黑洞形成之后橄霉，只剩下這三個不能變?yōu)殡姶泡椛涞氖睾懔浚渌磺小该l(fā)」（信息）都喪失了，黑洞幾乎沒有形成它的物質(zhì)所具有的任何復雜性質(zhì)姓蜂，對前身物質(zhì)的形狀或成分都沒有記憶按厘。

黑洞無毛，這意味著如果我們把一本書扔進黑洞钱慢，它會改變黑洞的質(zhì)量（可能還有自旋和電荷）逮京，但所有關(guān)于書的內(nèi)容的信息看起來都永遠消失了。黑洞真的摧毀了信息嗎束莫？如果黑洞能摧毀信息的話懒棉，它就摧毀了熵。如果黑洞能自發(fā)熵減览绿，那么宇宙就能避免走向死亡的終局策严。

回顧愛丁頓在《物理世界的本質(zhì)》一書中的觀點「熵增定律在自然界定律中具有至高無上的地位，如果你的理論被發(fā)現(xiàn)違背了熱力學第二定律饿敲，你一點希望也沒有妻导，結(jié)局必然是徹底崩塌」。1973年怀各，普林斯頓研究生貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）發(fā)現(xiàn)黑洞的演化和熱力學定律之間倔韭，存在一些非常有意思的類比。例如熱力學第二定律表明瓢对，熵永遠不會減少寿酌；而黑洞的質(zhì)量也同樣（或等同于事件視界的面積A=4πr2∝M2）從未減少。將一個物體扔進黑洞硕蛹，黑洞就會變大醇疼。貝肯斯坦認為，這不僅僅是一個簡單的類比妓美。此后他證明僵腺，黑洞確實有熵，黑洞熵實際上與它們的表面積成正比壶栋。

既然黑洞有熵辰如，那就相應(yīng)也有溫度，黑洞就必須對外輻射能量贵试。這顯然違背了「一切物質(zhì)都不能逃出黑洞」的常識琉兜。霍金在此基礎(chǔ)上嚴格推演后毙玻，提出了著名的霍金輻射善涨，證明了「黑洞其實不黑」斗锭，黑洞確實會對外產(chǎn)生輻射娶耍。量子力學認為颠放，真空中可以產(chǎn)生粒子對和湮滅。從真空借來能量瞬間創(chuàng)造粒子，湮滅后又把能量還給真空幌氮。但如果一對粒子反粒子碰巧在黑洞的事件視界附近產(chǎn)生缭受，其中一個可能會墜入黑洞，永遠消失该互，而失去了湮滅對的第二個粒子將變成真實米者，黑洞外的觀測者將以霍金輻射的形式探測到這些粒子∮钪牵霍金輻射會導致黑洞慢慢失去質(zhì)量蔓搞，就像在蒸發(fā)一樣。黑洞熵方程在熵随橘、熱力學與量子引力之間建立起了聯(lián)系喂分，成為是關(guān)于統(tǒng)一引力和量子力學最重要的線索。

肯斯坦太防、霍金等人的工作證明妻顶，黑洞其實是一個熱力學體系酸员，它有質(zhì)量蜒车、溫度、熵等熱力學量幔嗦，這些熱力學量滿足熱力學的四大定律酿愧。熱力學意義上的熵是跟體系占據(jù)的體積成正比的，但黑洞的熵居然是跟表面積成正比邀泉。這一特殊的性質(zhì)暗含著深刻的內(nèi)涵嬉挡，同時也揭示出引力具有非同一般的性質(zhì)—引力全息原理。發(fā)生在黑洞中的現(xiàn)象汇恤，其表面全都「知道」庞钢，黑洞的表面就像電影的熒幕，單憑熒幕上放映的信息就能解釋其內(nèi)部發(fā)生的一切因谎。

全息原理與平面宇宙

回到剛才把一本書扔向黑洞的例子基括。從視界外的觀察者角度來看，書進入了黑洞化為了灰燼财岔，但書相關(guān)的信息留在了黑洞表面风皿，在黑洞表面你甚至能計算出1比特的信息對應(yīng)所占的表面積。而在書的視角匠璧，它安然無恙地穿過了視界桐款，繼續(xù)向黑洞奇點墜落。書究竟是存在于黑洞表面還是在黑洞內(nèi)部夷恍？答案是同時存在魔眨，兩個都為真，沒有哪個更真。不存在任何第三者可以同時與黑洞中的書和黑洞外的觀察者之間交換信息遏暴。兩本書是同一本書侨艾，也同時是不同的兩本書，兩本都真實的書拓挥。類似于全息圖像一樣唠梨，三維圖像的信息編碼在二維平面上，然后用特殊的方式把三維圖像顯示出來侥啤。

黑洞是有視界的当叭，放大到整個宇宙尺度，我們的可觀察宇宙也存在一個視界盖灸。黑洞的視界是一個光也無法逃逸的球面蚁鳖，而可觀察宇宙的視界恰恰相反，它是一個外界的光無法到達我們的球面赁炎。那么醉箕，我們周邊的所有三維物體是否也可以看成是宇宙視界表面二維信息的投影？1993年由諾貝爾物理獎獲得者特霍夫特（Gerardus’t Hooft）提出引力全息徙垫，1994年讥裤，斯坦福大學的物理學家薩斯坎德（Leonard Susskind）進一步闡述了這一思想，演繹出弦論版本的全息原理姻报。所謂引力的全息性質(zhì)己英，是指一個引力體系其有效自由度（所有性質(zhì)，包括動力學過程）正比于其體系表面吴旋，就好像分布在其表面上一樣损肛。即，所有在三維空間某一范圍內(nèi)發(fā)生的引力現(xiàn)象都可被投影到相應(yīng)的空間的邊際荣瑟，從而可以將其理解為在二維熒幕上發(fā)生的現(xiàn)象治拿。全息原理指出，整個宇宙其實是一個呈現(xiàn)在可觀宇宙視界上的巨型「二維碼」笆焰，而我們自身以及周圍所有的一切劫谅，不過都是這張「二維碼」里面的比特。

黑暗森林與神級文明

《三體》中葉文潔頓悟了兩條宇宙社會學的基本公理「生存是文明的第一需要」仙辟、「文明不斷增長和擴張同波，但宇宙中的物質(zhì)總量保持不變」，以及兩個基本概念「猜疑鏈」和「技術(shù)爆炸」叠国。羅輯在此基礎(chǔ)上推導出黑暗森林法則：「宇宙就是一座黑暗森林未檩，在這片森林中，他人就是地獄粟焊，就是永恒的威脅冤狡，任何暴露自己存在的生命都將很快被消滅孙蒙，這就是宇宙文明的圖景，也是對費米悖論的一種解釋悲雳】媛停」

然而爭奪物質(zhì)層面的森林法則僅僅是最低級別的黑暗森林『掀埃「宇宙的總熵在升高坦胶，有序度在降低，像平衡鵬那無邊無際的黑翅膀晴楔，向存在的一切壓下來顿苇，壓下來。可是低熵體不一樣税弃，低熵體自身的熵還在降低纪岁。有序度還在上升，像漆黑海面上升起的磷火则果，這就是意義幔翰，最高層的意義，比樂趣的意義層次要高西壮。要維持這種意義遗增，低熵體就必須存在和延續(xù)∪资保」

當歌者文明中較低階級的一個清理員向太陽系扔出二向箔時贡定，顯得隨意而又輕松。然而歌者文明之所以清理其他文明可都，并不是為了爭奪資源與能量，而是為了爭奪宇宙熵增不可逆的大趨勢下低熵狀態(tài)生存權(quán)力蚓耽。全宇宙處于熵增情況下渠牲，清理其他處于熵減的低熵體文明，拖延宇宙熵增的速度步悠，來保證同為低熵體的歌者文明能存活到最后签杈。這是一種更為高階的黑暗森林法則。對歌者文明而言鼎兽，存在就是錯誤答姥，存在就是熵增，存在就必須被清理谚咬。

細思恐極的是鹦付，歌者文明在地球文明與三體文明眼里，儼然已經(jīng)是神級文明择卦。但從時間線的描述來看敲长，最終摧毀太陽系的并非是歌者文明發(fā)出的二向箔郎嫁，而是其他類歌者文明發(fā)出的二向箔率先抵達太陽系并導致了太陽系的二維化。說明類似歌者階段的文明在宇宙中也早已比比皆是祈噪。

而最后出現(xiàn)的歸零者文明更是神級一樣的存在泽铛，相比于歌者文明而言，「歸零」顯得更是一種信仰辑鲤。他們不光不在乎對物質(zhì)能量的爭奪盔腔，也不在乎爭奪低熵生存權(quán)。擁有著數(shù)學規(guī)律作為終極武器的歸零者們月褥，光速是他們抵御其他一切文明黑暗森林打擊的最有效的防御铲觉。而歸零者文明生存的唯一意義，就是重啟宇宙吓坚∧煊模「把時針撥過十二點。比如說空間維度礁击，把一個已經(jīng)跌入低維度的宇宙重新拉回高維盐杂，幾乎不可能；但從另一個方向努力哆窿，把宇宙降到零維链烈，然后繼續(xù)降維，就可能從零的方向回到最初挚躯，使宇宙的宏觀維度重新回到十維」强衡。讓宇宙重回田園時代，讓一切回歸大爆炸之初码荔，同時也能讓熵增也歸零漩勤。這更像是一種宗教，一種行為藝術(shù)缩搅，沒人知道是否會成功越败，包括歸零者自己。