我们都知道热力学定律,它说一个封闭的热力学体系在经过有限时间后总会达成平衡。
补充三种平衡点:稳定平衡——受到微小扰动可以回归平衡点。随遇平衡——在小区域内任意一点都可以达成平衡。不稳定平衡——受到微小扰动即会远离平衡点。
用数学表示,是否是稳定平衡点就体现在函数的凹凸性上。
热力学这里说的平衡态是指稳定平衡。
然而一个让人费解的问题因此而生:进化论告诉我们,生物体系一直在变得更加有序——从原始有机结构,逐渐的演化成如今庞大、繁杂而有序的生物圈。
这里先说另一个实验:贝纳尔水花。
用一个扁圆的仪器装满液体,上端接触空气,下端均匀加热。
在加热初期,液体是均匀的,即等高度的液体状态一致。
加热到一个临界点以后,神奇的事情就出现了:
液面上出现环状对流,在环内的液体要么全向上流动,要么全向下流动,而环边缘的液体反向流动。
对于这种自发有序化的解释是:由于系统远离平衡态,系统的稳定性遭到严重破坏。这时若由于涨落使某处流体上升,且上升过程中流体密度始终比它周围流体的密度小时,流体就会一直上升到顶部;同理,若在另一处同时有流体下沉,且过程中流体密度始终比它周围流体密度大,流体也会一直下沉到底部。
一上一下配以底部、顶部流体水平的反向流动,即可形成环流。
环流形成时,整个流体规则的环流图案同时形成。
这种“就像各部分之间可以互通信息,接到一声命令后统一行动似的”现象叫做自组织现象。
这种有序结构称为组织结构。
这种有序结构能否出现决定于使系统稳定性受到破坏的外部影响(重力、浮力、温差等)与是系统趋于稳定的因素——耗散(粘性、热扩散)这两者相互竞争中何者占据优势。
在远离平衡时,不稳定性压倒了耗散因素,这时只要出现微小涨落不稳定因素就会对微小的涨落进行“放大”,并在整体上形成有序结构。
只要外界条件不变,这种有序结构就能稳定的存在下去。
类似的现象还有B-Z反应(化学振荡)、激光。
喏,我们看到了什么?
对,生命的迹象。
我们说生命是低熵体,是自身有序化的过程。
这里,科学为生命的存在给出一个合理解释:
地球的环境提供了一个适宜的外界条件(稳定的外部环境)
这个外部环境虽然大体稳定,但在局部会出现远离平衡——这与大气循环有关。
微小的涨落使这些局部诞生有序结构。
有序结构的出现影响了局部环境,进而影响外部环境,这个微小涨落被不断放大……
于是,生物由此诞生。
至于这个最初的有序结构是什么,鬼知道。
要注意的一点,自发有序并不违背热力学定律,因为热力学描述的体系是封闭的,而自发有序需要一个开放的环境。
如前面所说水花实验,有几乎无限的空气可以带走仪器加给液体的热量。
如地球,太阳一直在源源不断的给地球提供强光,而地球最终将光发散到宇宙深处。
补充三种平衡点:稳定平衡——受到微小扰动可以回归平衡点。随遇平衡——在小区域内任意一点都可以达成平衡。不稳定平衡——受到微小扰动即会远离平衡点。
用数学表示,是否是稳定平衡点就体现在函数的凹凸性上。
热力学这里说的平衡态是指稳定平衡。
然而一个让人费解的问题因此而生:进化论告诉我们,生物体系一直在变得更加有序——从原始有机结构,逐渐的演化成如今庞大、繁杂而有序的生物圈。
这里先说另一个实验:贝纳尔水花。
用一个扁圆的仪器装满液体,上端接触空气,下端均匀加热。
在加热初期,液体是均匀的,即等高度的液体状态一致。
加热到一个临界点以后,神奇的事情就出现了:
液面上出现环状对流,在环内的液体要么全向上流动,要么全向下流动,而环边缘的液体反向流动。
对于这种自发有序化的解释是:由于系统远离平衡态,系统的稳定性遭到严重破坏。这时若由于涨落使某处流体上升,且上升过程中流体密度始终比它周围流体的密度小时,流体就会一直上升到顶部;同理,若在另一处同时有流体下沉,且过程中流体密度始终比它周围流体密度大,流体也会一直下沉到底部。
一上一下配以底部、顶部流体水平的反向流动,即可形成环流。
环流形成时,整个流体规则的环流图案同时形成。
这种“就像各部分之间可以互通信息,接到一声命令后统一行动似的”现象叫做自组织现象。
这种有序结构称为组织结构。
这种有序结构能否出现决定于使系统稳定性受到破坏的外部影响(重力、浮力、温差等)与是系统趋于稳定的因素——耗散(粘性、热扩散)这两者相互竞争中何者占据优势。
在远离平衡时,不稳定性压倒了耗散因素,这时只要出现微小涨落不稳定因素就会对微小的涨落进行“放大”,并在整体上形成有序结构。
只要外界条件不变,这种有序结构就能稳定的存在下去。
类似的现象还有B-Z反应(化学振荡)、激光。
喏,我们看到了什么?
对,生命的迹象。
我们说生命是低熵体,是自身有序化的过程。
这里,科学为生命的存在给出一个合理解释:
地球的环境提供了一个适宜的外界条件(稳定的外部环境)
这个外部环境虽然大体稳定,但在局部会出现远离平衡——这与大气循环有关。
微小的涨落使这些局部诞生有序结构。
有序结构的出现影响了局部环境,进而影响外部环境,这个微小涨落被不断放大……
于是,生物由此诞生。
至于这个最初的有序结构是什么,鬼知道。
要注意的一点,自发有序并不违背热力学定律,因为热力学描述的体系是封闭的,而自发有序需要一个开放的环境。
如前面所说水花实验,有几乎无限的空气可以带走仪器加给液体的热量。
如地球,太阳一直在源源不断的给地球提供强光,而地球最终将光发散到宇宙深处。