态系统中温度处处相同，然而我们要是抬头，就会看到炽热的太阳高悬
在除此之外都冷冰冰的天空中。熵有极大的增长空间，正在发生的也正
是如此。但我们来算算数总是有好处的[162]。
将地球作为单一系统考虑，则其能量收支非常简单。我们以辐射形
式从太阳那里得到能量，也通过辐射向太空中丧失同样大小的能量。
（并非完全一样。诸如核衰变之类的过程也会使地球升温，并向太空渗
漏能量，而能量辐射的速度也并非严格恒定。不过，这仍然是非常好的
近似。）尽管能量大小相同，我们得到的和给出的能量性质却有很大的
区别。还记得吧，玻尔兹曼以前的时代，熵被理解为一定量能量有用程
度的度量；低熵形式的能量可以用来做有用功，比如驱动发动机或是磨
面；但高熵形式的能量就一无是处了。
我们从太阳那里得到的能量是低熵、有用的，而地球辐射回太空的
能量熵要高得多。太阳的温度约为地球平均温度的20倍。对辐射来说，
温度就是辐射出来的光子的平均能量，因此地球每接收一个高能量（短
波，可见光）光子，就需要辐射20个低能量（长波，红外）光子（图
50）。稍微算一下就可以证明，20倍的光子直接转化成了20倍的熵。地
球散发出去的能量跟它接收到的一样多，但熵变成了20倍。
图50 地球以高密度、低熵的形式从太阳那里接收能量，并以低密度、高熵的形式将能量辐射
回宇宙中。地球每接收1个高能量光子，地球就会辐射20个左右的低能量光子
难点在于弄清楚，我们说地球上的生命形式“熵很低”的时候，究竟
是什么意思。确切地讲我们是怎么粗粒化的？对这个问题还是有可能给
出合情合理的答案的，但真的挺复杂。好在有一条超级捷径可以走。考
虑地球上整个的生物量——在所有形式的生命中能找到的所有分子。很
容易就能算出这个分子的集合如果处于热平衡态，那么能拥有的最高熵
是多少。代入数字（生物量约为1015千克，地球温度取255开尔文），
就能求出熵的最大值为1044。还可以将这个数字跟生物量的熵可能拥有
的最小值比较一下——如果生物量正好处于一个独一无二的状态，熵就
应该正好是零。
所以能想到的熵的最大变化，就是将我们生物量这个数量的完全无
序的分子集合转换为绝对有序的某个布局——包括我们现在这个生态系
统的状态——是1044。如果生命演化与第二定律一致，那就必须是地球
在生命演化过程中通过将高能量光子变成低能量光子产生的熵，比因为
创造生命而减少的熵要多。1044这个数肯定是估得太大手大脚了——我
们不用产生那么多熵，但如果能产生那么多，第二定律就会安然无恙。
要通过将有用的太阳能转变为无用的辐射热量，多久才能产生这么
多熵？答案又一次用到了太阳温度等数据，结论则是：一年左右。也就
是说如果我们真的很有效率，那每年都能将跟整个生物圈一样大的质量
排列成我们能想到的熵最小的布局。实际上生命已经演化了几十亿年，
而“太阳+地球（包括生命）+逃逸辐射”系统总的熵只是增加了一点点。
因此，第二定律与我们知道的生命完全吻合——不是你曾经怀疑的那种
情况。
生命在于运动
知道生命没有违反第二定律挺让人高兴。但是如果能充分理解“生
命”究竟是什么意思也会让人很愉悦。科学家到现在仍然没有一致同意
的定义，但是有许多特征通常与生物体有关：复杂性、组织、新陈代
谢、信息处理、繁殖、响应刺激、衰老等。很难拟定一套标准，将生物
（藻类、蚯蚓、家猫）与复杂的无生命物体（森林大火、星系、个人电
脑）明确区分开。同时，就算没有对生命特征在生命和非生命环境下的
表现做出明确区分，我们也能够分析生命的一些主要特征。
从物理学家的视角理解生命的概念，有一次著名的尝试，就是《生
命是什么》，作者不是别人，正是埃尔温·薛定谔。薛定谔是量子力学
的创立者之一，在我们从经典力学移师到量子力学时，是他的方程取代
了牛顿的运动定律，成为世界的动力学描述。他还发明了思想实验“薛
定谔的猫”，突出了我们对世界的直接认识与量子理论的正规结构之间
的差异。
纳粹上台之后，薛定谔离开了德国。但尽管在1933年获得了诺贝尔
奖，他还是很难在别的地方找到一个永久职位，主要原因是他的私生活
太桃色了。[他妻子安妮玛丽（Annemarie）知道他有过相好，同时她自
己也有情夫；当时薛定谔正跟自己助手的妻子希尔德·马奇（Hilde
March）有染，后来她给他生了个孩子。]他最后在爱尔兰安定下来，在
那里帮助建立了都柏林高等研究院。
在爱尔兰，薛定谔做了一系列公开讲座，后来结集为《生命是什
么》出版。他喜欢从物理学家的视角，尤其是量子力学和统计力学专家
的视角审视生命现象。也许全书最引人注目的地方是薛定谔的一个推
论，即认为遗传信息在时间中的稳定性能由假设存在某种“非周194期性
晶体”得到最佳解释，这种晶体将信息储存在自身的化学结构中。这种
见解启发了弗朗西斯·克里克（Francis
Crick）从物理学转向分子生物
学，并最终引导他与詹姆斯·沃森（James Watson）一起发现了DNA的
双螺旋结构[163]。
但薛定谔也在思考如何定义“生命”。他在这个方向提了一个具体建
议，给人的印象是有点儿漫不经心，也许并没有以应有的认真态度那样
对待：
生命的特征是什么？什么时候一团物质可以称其为活着？就是
它在“做什么事情”的时候，与周围环境交换材料，等等，时长也
要比我们预期无生命物质在类似情况下“继续”做这件事情的时间
要长得多[164]。
诚然，这个定义有点儿模糊。“继续”究竟是什么意思，我们该“预
期”这个事情发生多长时间，而什么才算是“类似情况”？此外，这个定
义也完全没有提到组织、复杂性、信息处理等任何特征。
尽管如此，薛定谔的想法确实抓住了生命与非生命的区别中的一些
重点。在他思想深处，他肯定想到了第二定律的克劳修斯版：热接触的
物体会向共同温度演化（热平衡）。如果把冰块放到一杯温水里，冰块
很快就会化掉。就算两个物体是用非常不同的物质做成的——比如说，
把塑料“冰块”放进一杯水里——两者还是会变成同样的温度。更一般
地，无生命的物理实体往往会逐渐停下来，变成静止。山崩的时候一块
石头会滚下山坡，但要不了多久就会滚到底，通过产生噪声和热量来消
耗能量，最后完全停下来。
薛定谔的观点就这么简单。对生物体来说，这个停下来的过程花的
时间会长很多，甚至可以无限推迟。假设我们放进水里的不是冰块而是
一条金鱼，那么跟冰块不一样（不管是水的还是塑料的），金鱼不会简
单地跟水达成平衡态——至少不会是在几分钟乃至几小时之内。这条金
鱼会一直活着，做点什么事情，游来游去，跟周围的环境交换材料。如
果是被放进了能找到食物的湖里或鱼缸里，这条鱼会“继续”相当长时
间。
薛定谔指出，这就是生命的本质：推迟与周围环境达成平衡态的自
然倾向。乍一看，我们通常跟生命联系在一起的那些特征在这个定义里
大部分都看不到。但如果我们开始思考，为什么生物体在无生命的事物
逐渐消停之后很久都还能继续做着什么事情——为什么冰块化掉很久之
后，金鱼还在游来游去——我们马上就会被导向生物体的复杂性，及生
物体处理信息的能力。生命的外在标志是生物体继续很长时间的能力，
但这项能力背后的机制是层次结构的多个层级之间巧妙的相互作用。
我们也许会希望更具体一点。“生物体就是继续的时间比我们预期
非生物体能继续的时间更长的事物，而生物体能够继续的原因是它们很
复杂”，这样说是挺不错，但肯定还有更多可以说道的。不幸的是，这
不是个简单的故事，科学家也还没有理解透彻。熵在生命的本质中肯定
有重要作用，但也有些重要方面没有体现出来。熵描述了单个时点的单
个状态，但生命的主要特征涉及在时间中会发生演变的过程。就其本身
而言，熵的概念对时间中的演化只有很粗略的暗示：熵往往会上升，或
保持不变，但不会下降。第二定律没有讲过熵会增加得多快，或是以哪
种特定方式增加——这条定律只关乎存在，不关乎演化[165]。
然而，尽管没想回答关于“生命”的意义所有可能的问题，还是有一
个概念无疑扮演了重要角色——自由能。薛定谔在《生命是什么》的第
一版对这个想法一带而过，但后来他加了个注释，对未曾更重视这个想
法表示后悔。自由能的想法有助于将熵、第二定律、麦克斯韦妖以及生
物体比非生物体继续更长时间的能力都结合在一起。
能量随便用，不是啤酒随便喝
近些年，生物物理学领域的人气急剧增加。这当然是件好事——生
物学很重要，物理学也很重要，这两个领域的结合点也有大量有意思的
问题。但同样也并不奇怪，这个领域相对荒芜了那么久。如果你挑一本
物理学的入门教材，并拿来跟生物物理学教材相比较，你会注意到词汇
上的明显转变[166]。传统的物理学入门图书充斥着像是作用力、动量、
守恒等词语，生物物理学书籍里的特征词汇则是熵、信息和耗散之类。
术语的不同反映了哲学上的根本不同。自打伽利略头一个鼓励我们
在考虑物体如何在重力场中下落时忽略空气阻力开始，物理学就形成了
不遗余力地将摩擦力、耗散、噪声以及任何有碍于直接展现简单的微观
运动定律的障碍都最小化的传统。但在生物物理学中我们不能这么干，
你要是开始忽略摩擦力，你就忽略了生命本身。实际上，这是个值得思
考的替代定义：生命就是有组织的摩擦力。
但是你也会想，这听起来一点儿都不对啊。生命整个都跟结构与组
织的维持有关，而摩擦力产生熵和无序。实际上，两种视角都捕捉到了
一些潜在的事实。生命所做的就是在某个地方产生熵，用来维持另外某
个地方的结构和组织。这也是麦克斯韦妖的经验。
