探索进化论与熵概念的神秘联系：科学革命的双重挑战

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在所有科学进步中，进化论也许是最令人类困扰的。 1859年，著名生物学家查尔斯·达尔文（ ）出版了《物种起源》一书。他的革命性理论威胁到了人类在宇宙中的崇高地位！然而，在同一时代，另一场不那么引人注目且看似无关的科学革命也悄然发生。

在物理学中，有一个概念叫熵（）。它被用来解释为什么蒸汽机永远不可能完全高效。听起来无害，对吧？但本质上，熵的概念也是对传统观念的挑战。但事实上，熵和进化之间还有无数未知的联系，很多人都没有意识到。

熵是由奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（ ）阐述和倡导的，他也是达尔文理论在物理学界的最大推动者之一。 1886年，达尔文去世四年后，玻尔兹曼发表了一场关于熵的公开演讲，他说：“如果你问我最深的信念是什么，我们的世纪会被称为钢铁世纪还是蒸汽世纪？还是电力世纪？我我会毫不犹豫地回答：这将被称为机械自然观的世纪，达尔文的世纪。”

事实上，玻尔兹曼不仅仅是达尔文的支持者。他比那个时代的大多数人更深入地理解进化论，并认识到其核心思想的全部含义。具体来说，他掌握了进化论和热力学如何依赖于对历史的理解，以及这些微小的变化如何随着时间的推移而积累。在19世纪，这些想法是对传统智慧的巨大挑战，甚至被许多人认为是邪恶的。

○除了拥有华丽的胡须，达尔文和玻尔兹曼还有什么共同点？ |图片来源：GL //Alamy

达尔文和玻尔兹曼除了华丽的胡须之外没有太多共同点。虽然他们同时都是科学家，但他们从未谋面。达尔文比玻尔兹曼年长一代，是一位出身名门望族的绅士；由于患病，达尔文晚年大部分时间都在家中度过。此时，玻尔兹曼正在大学任教，并指导了许多后来的物理学先驱。他发明小玩意、写诗，并且喜欢旅行。不幸的是，正如他在书中所描述的，他后来与抑郁症作斗争，并于 1906 年自杀身亡。

从表面上看，两位大胡子科学家的理论似乎也毫无关联。但深入研究，你会发现他们的理论是密不可分的。

进化论和熵的概念都挑战了许多人关于“自然”秩序的观念。达尔文说，人类是其他动物的后代，我们像所有生物一样，处于“家谱”中，并受到称为自然选择的普遍过程的控制。玻尔兹曼说，有序的物理定律可能会导致无序，这需要使用统计语言和概率来理解。这两种观点都干扰了 19 世纪关于进步和永恒改进的观点，但玻尔兹曼可能是第一个认识到这两种理论之间联系的人。

最初，熵的概念是由蒸汽机工程师发现的。他们意识到，无论机器的效率有多高，在运行过程中总会损失一些能量。能量并没有被破坏（因为这是不可能的），它只是不能被人类使用。鲁道夫·克劳修斯 ( ) ( ) 用损失的能量定义了物理量“熵”( )，它源自希腊语，意为“转化”，发音类似于“能量”( )。

后来，物理学家在热力学第二定律中详细阐述了熵的含义：对于任何不受外界影响的系统，熵都会保持不变或增加。这相当于在宇宙层面说世界上没有免费的午餐。每笔交易都有一个价格。然而，这样定义并不能解释熵是什么，玻尔兹曼想了解更多。

当科学发展到19世纪时，科学家开始统一不同领域的知识：例如，发现了电和磁之间的联系，使用物理学的新方法来识别更多的化学元素等等。玻尔兹曼试图利用控制宏观物体的牛顿定律来理解气体的行为。

他这样做是有先例的，那就是“分子动力学理论”（）。这个模型是由 James Clerk 和他的同事提出的。 （麦克斯韦因统一电学和磁学理论而闻名于世，从而证明光是一种电磁波。）分子动力学理论将微观气体粒子的速度与可测量的量（例如温度）联系起来。根据牛顿定律，这些粒子在碰撞前后看起来应该是一样的（改变时间方向，然后再碰撞回来）。然而，熵必须增加或保持不变——这是不可逆转的！

说到这里，不可逆转是生活中很正常的一部分。打破玻璃和把水洒在地板上是不可挽回的。玻璃碎片和水分子不会自发重组。蛋糕糊中的成分不会分离，你在房间里喷洒的香水也不会流回瓶子里。玻尔兹曼想用微观物理学来解释现实中这些不可逆的现象。他通过证明大量气体分子产生不可逆转的结果来实现这一目标。

○1887年，玻尔兹曼和他的同事。玻尔兹曼1844年2月20日出生于维也纳。他最大的贡献是统计力学的发展。

我们来做一个实验：想象一下在一个密封的盒子里放置一个可移动的隔板，在实验中我们将一半的盒子充满了一些气体，然后稍微打开隔板。一些气体会通过隔板的开口逸出，一段时间后，盒子两侧的气体量将大致相等。

如果我们从盒子两侧开始有气体，然后打开隔板，我们几乎可以肯定，即使我们等待很长时间，气体也不会只积聚在盒子的一侧。尽管粒子之间或粒子与容器壁之间的每次碰撞都是可逆的，但结果也是不可逆的。

当然，所有气体粒子也可能自发地从容器的一侧移动到另一侧。但正如玻尔兹曼所指出的，这种可能性极小，我们无需过于担心。同样，熵可以自发减少，但这种情况很少发生。熵增加或保持恒定（当气体均匀分布在容器中时）的可能性很大。

即使从完全可逆的粒子微观行为开始，结果也是有方向性且不可逆的。从这里，玻尔兹曼看到了熵和进化之间的联系。

在生物学中，代际之间存在着微小的变化，在本次讨论的背景下，这些变化是无方向且随机的。但达尔文的自然选择理论证明了它们最终如何导致不可逆转的变化，为新物种如何从现有物种中产生提供了潜在的解释。达尔文将这种现象称为“后代的逐渐变异”（with），并引入自然选择的角度来解释它。

玻尔兹曼认识到这是对生命繁殖的深刻理解，就像他对熵的解释提供了对物理学中不可逆过程的深刻理解一样。除了不可逆性之外，他还认识到生物体之间存在着对资源的竞争，换句话说，是一场最小化熵的战争。

生物具有多种特征。其中一些特征是适应性的，可以帮助生物体生存：使它们能够找到食物，或避免成为其他生物体的食物。有些特征对生物体有害，而有些特征是中性的，既无益又无害。自然选择在进化过程中选择有利的性状并消除不利的性状。 （玻尔兹曼甚至用达尔文的理论来论证我们理解世界的能力有助于人类的生存和成功，这意味着根据达尔文的理论，人类的思想——许多哲学讨论的主题——是一种适应特征。）

○加拉帕戈斯群岛的雀类为达尔文进化论中的自然选择思想提供了一个关键的例子。 |图片来源：/

自然选择是一种严酷的生命观。但生物需要从空气、土壤或者吃其他生物来获取食物，这意味着竞争。存活下来的生物体会将其适应性特征遗传给后代，而有害特征则消失。如果后代积累了足够多的这些特征，全新的物种就会出现。我们就是其中之一：就像所有其他生物一样，人类也是从自然选择和适应的过程中产生的。

玻尔兹曼使用这两种理论来论证生命的斗争与能量无关。地球从太阳获得了大量的能量，远远超过生物以光合作用的形式使用的能量（以及其他以植物和其他光合作用为食的生物体）。相反，生命就是一场通过捕获尽可能多的可用能量来减少熵的斗争。

玻尔兹曼对将达尔文理论与基础物理学联系起来的深刻理解是一项惊人的成就：展示了进化和熵的影响如何延伸到各自的原始领域之外。今天，我们在信息论中使用进化算法和熵，进化是美国宇航局在其他星球上寻找生命时使用的标准。

达尔文和玻尔兹曼领导的革命仍在继续。也许我们甚至可以说他们的学说是“共同进化的”。

撰文：R.

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