热力学如何解释进化论：最大化熵产生原理驱动的自然选择？ _小知识

人们一向以来都坚信达尔文“物竞天择”的进化原则。但一些物理学家认为，达尔文的进化论并不是独一可以缔造秩序的理论。对进化和生命自己的观点应该基于热力学以及这些物理定律对能量和物质流动的表述。这是因为，固然生物属于一整类复杂而有序的系统，但这些系统是基于热力学第二定律而存在的。
撰文 | John Whitfield 翻译 | SBu
审校 | Krystal 编纂 | 林下

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利用热力学定律来诠释天然选择和生命自己。
进化论和热力学似乎是彼此矛盾的。最较着的是，热力学第二定律指出，跟着时候的推移，任何系统城市倾标的目的于达到熵的最大值，这意味着系统的有序度（order）和可用能量均为最低程度。例如，在一个封锁的房间里打开一瓶喷鼻水，最后喷鼻气会满盈开来，而有机体凡是会尽量避免这样的均衡态，也就是所谓的灭亡。
反进化论者一个常见的论点就是，宇宙倾标的目的于无序，而这意味着天然选择不克不及使生物变得加倍复杂。当然，也有人否决这样的不雅点，他们认为，生物体经由过程一种输出熵的体例来维持内部秩序并成立复杂性，即以一种形式接收能量，并以另一种更高程度的熵的形式将能量辐射出来。薛定谔（Erwin Schr?dinger）是最早思虑这些问题的物理学家之一，他将食物描述为负熵，并认为“新陈代谢的关头在于，有机体可以或许当作功地将本身的生命从出产无益的熵中解放出来。 ”[1]

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△查尔斯·罗伯特·达尔文，英国博物学家、生物学家
比来，一些物理学家指出，固然生物属于一整类复杂而有序的系统，但这些系统并不违反热力学第二定律，而是基于该定律而存在。他们认为，我们对进化和生命自己的观点同样应该基于热力学，以及这些物理定律对能量和物质流动的描述。达尔文进化论并不是独一可以缔造秩序的工具。在整个宇宙中，能量和物质的彼此感化发生了法则的布局，无论是恒星、晶体、流体中的漩涡，仍是气候系统都是如斯。而生物体是迄今所领会的最复杂、最有序的系统，那么它们可能是统一现象的一部门吗？由生物之间彼此竞争带来的天然选择过程最终也可以或许经由过程热力学说话来诠释吗？
圣塔菲研究所的理论物理学家Eric Smith说：“达尔文的天然选择进化论不是独有的过程，它们是更根基的化学竞争性排斥的复杂版本。 ”在客岁颁发的一篇论文中[2] ， Smith及同事们认为，天然选择是被称为“自组织”的物理过程的高度复杂版本，经由过程这种体例，能量与物质相连系生当作秩序，但今朝人们对自组织的领会仍然很少。

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△Eric Smith ，圣塔菲研究所的理论物理学家
这种有序、自组织的系统就像专门设计用来均衡能量梯度的引擎——比拟于无序分子的夹杂物，当自组织系统持续存在时，它们发生的熵更多，速度更快。例如，比拟于平均的静态大气层，气候系统将热量从热带地域传递到极地的速度远远快得多。生命也是如斯。事实上， Smith认为，这可能是生命发源的原因——在地球早期的前提下，生命是释放地热能储蓄积累的最佳体例，也是地热能释放的必然成果[3] 。一旦这种生物化学过程可以或许进行下去，那么后续的化学和达尔文式选择城市倾标的目的于那些可以或许最好地耗散失落地球上积压能量的系统，这些能量或者是地热能，或者是在光合感化呈现之后的太阳能。