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从朱清时院士提到的“麦克斯韦妖”谈生命的有序化

6月10日上午,中国科学院院士、原南方科技大学校长朱清时在北京中医药大学西校区报告厅作了“用身体观察真气和气脉”的演讲,讲述了“如何用现代的科学语言来准确地讲述真气和经络”,并认为“中医的真气和经络是可能存在的”。这场讲座在网络上引发了“真伪科学之争”。

朱清时院士在讲座中提到“麦克斯韦妖”,先说一下这个麦克斯韦妖。1871年物理学家麦克斯韦设计的一个头脑实验—麦克斯韦妖。他假设了一个密闭的容器,由一个没有摩擦力的隔板分成AB两部分,隔板上有个由妖魔控制的阀门。起初两侧温度相同,当高速分子由A向B运动或慢速分子由B向A运动时,妖魔就打开阀门令其通过,反之,当高速分子由B向A运动或慢速分子由A向B运动时,妖魔就关闭阀门。久而久之,高速分子都跑到了B区,慢速分子都跑到了A区,于是这个封闭系统的有序性大大增加,而熵就大大减少了。这只想象中的妖魔打破了“封闭系统的熵只能增加”的热力学第二定律,若它真的存在,那我们就可以利用温差对外做功了,科学界将这类违背热力学第二定律的热机称为“第二类永动机”。

不过,后来的科学家发现,即使找到了“麦克斯韦妖”,但无一例外的这个封闭系统都参与了与外界的能量交换。也就是说在更广义上,还是摆脱不了热力学第二定律。

法国物理学家L.布里渊(L.Brillouin)1956年发表《科学与信息论》专著,从热力学和生命等许多方面探讨信息论,把热力学熵与信息熵直接联系起来:由于容器是密闭的孤立系统,妖处于绝对黑体中,它是不可能看清任何东西的,当然也就无法分辨分子运动的速度和方向,系统只能继续处于原来的平衡态中。除非外面提供光亮,它才有可能看清楚并正确控制阀门,从而增加系统的有序性并使熵减少,即熵减过程必须伴随着能量的消耗。

朱清时院士说:真气就是为生命把门的麦克斯韦妖。现代生物学家认为:生命即复制和演变。在最原始的生命形态中,“生物体”和“非生物体”之间的界限并不那么清晰。在很早期的无机物中产生了复制酶,复制酶是一种具有自我复制能力的分子。

人们已通过计算信息熵来寻求DNA组成方面的有序程度,求出了60余种生物中标志DNA组成有序程度的指标。计算结果的对比表明,脊椎动物中的DNA指标一般高于低等有机体,这与生物学的进化观点一致。

1871年,达尔文在一封信里这样写道:“生命最早很可能在一个热的小的池子里面。”后来,这个“热的小池子”被称做“原始汤”。科学家们发现,海底热液带出大量硫化物,遇水冷却后形成巨大的“黑烟囱”,约350℃的含矿热液从直径约15厘米的烟囱中喷出,与周围海水混合后,很快产生沉淀变为“黑烟”,沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜-铁硫化物组成。黑烟囱喷出的矿液温度可高达350℃,并含有CH4、CN等有机分子,为非生物有机合成,如此环境可以满足各类化学反应,有利于原始生命的生存。

科学研究表明只有地球早期的环境才与此类似,科学家预测生命的起源很可能就是从海底的黑烟囱开始的。


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