漫话平衡

生命或许在于某种平衡,但死亡才是最终的平衡。

读了韩春旭《生命在于平衡》(2001年5月9日《文汇报•笔会》)一文,颇受启发,想从科学的角度谈谈平衡的各种不同含义。

天平两边重量相等时就达到平衡,这是由于天平两边所受之重力势均力敌,相持不下而达到平衡。用手住天平一边轻轻地触一下,原先的平衡就破坏了,天平开始向一边倾斜,继而左右来回摇摆。过一会儿,天平仍然会回复到原先的平衡位置。这种能抗拒破坏力而自动返回平衡的称为稳定平衡。

平衡不一定都是稳定的。拿一个煮熟的鸡蛋,试图在桌面上将之直立起来。经过反复试验,运气好的话可能会成功。直立的鸡蛋也是一种平衡,但它是不稳定的,轻轻吹一口气马上就倒下,而且不可能自动再直立起来,这是一种不稳定平衡。

为什么天平的平衡稳定而直立鸡蛋的平衡不稳定呢?原因无他,在于其重心与支点的相对位置不同。天平悬臂系统的重心位于其支点之下,而直立鸡蛋的重心位于其支点之上。前者的平衡被破坏后会产生一种校正力,使之自动恢复平衡;后者则相反,任何微小的偏离所产生的力引起更大的偏离,最终导致完全失去平衡,而且不可能自动恢复。总之,平衡随时都可能遭到破坏,想保持稳定需要某种“向心力”,而不稳定则是“离心力”作用的结果。这条关于稳定与不稳定的规律是普遍适用的,甚至可以推广到人际关系:自视极高而居高临下者是不稳定的,稍有风吹草动,就会像直立的鸡蛋那样倒下来。天理如此,可不慎欤?

平衡概念在物理学的另一个分支——热力学中占有重要的地位。在盛有开水的热水瓶中投入一冰块,100摄氏度的开水和0摄氏度的冰块两者温度不同,在热水瓶中形成“热不平衡”。经过一段时间后,冰块融化为水,瓶中水达到一个均匀的温度,形成了“热平衡”。这个过程司空见惯,不足为奇。

问一个怪问题:上述从热不平衡到热平衡的过程会不会自动倒过来进行?显然不会!谁见过热水瓶中的温水自动变成开水加冰块来着?再追问:为什么不会?这可不是容易回答的,它涉及到19世纪发现的一个重要定律一——热力学第二定律。第二定律有多种表示方式,定量的表示为:在与外界没有物质和能量交换的封闭系统(如热水瓶)中,其总熵只增不减。

熵是什么?不妨回到热水瓶中:冰块融化是由于热量从开水转移到冰块所致。开水减少的熵等于它变出的热量除以开水的温度(均以绝对温度计算,即摄氏度加273度),冰块增加的熵等于它收到的热量除以冰块的温度。在这个过程中,开水交出的热量和冰块收到的热量相等,而冰块温度比开水温度低,因此冰块增加的熵比开水减少的熵来得多,所以热水瓶中的总熵增加了。这个过程符合第二定律,故能自动进行。而其逆过程导致总熵减少,违反第二定律,所以不可能自动进行。这个结论是普遍适用的,在封闭系统中事物的变化总是朝着墒增加的方向发展,最终达到具有最大熵的热平衡,相反的过程不可能自动发生。

从热力学进一步发展出统计力学,后者在更深的层次上解释了第二定律。原来熵是系统无序的度量,第二定律的增熵意味着封闭系统总是从有序自动朝无序发展,最终达到的热平衡是最无序的混沌状态。从有序到无序,这是不可抗拒的自然规律。质言之:天道混沌!

果真如此吗?生物学家首先要起来抗议:“生命是有序,从宇宙洪荒之混沌,发展到今天之芸芸众生,是从无序到有序,怎么能说是天道混沌呢?”问得好!生命的起源和生物的发展进化确实是从无序到有序,但别忘记生命机体是开放系统,它与外界不断地交换物质和能量。第二定律的增熵只适用于封闭系统,不能孤立地用于生命系统。事实是:生物机体这个开放系统在与外界交换物质和能量的过程中,不断地将多余的熵排出给周围环境,使自身的熵减少而保持有序;而周围环境则因接纳熵而变得更为无序——想一想那些垃圾、污水、废气就明白了。将生物与周围环境一起考虑,其总熵还是增加,第二定律仍然适用。

聪明的读者会说:“我懂了!生命是高熵之汪洋大海中低熵之一叶孤舟,为了不被大海所吞没,就要不断地对抗增熵。我们饮水、进食、呼吸新鲜空气,等等,固然是为了进行物质和能量的吐故纳新,同时也是为了抛弃身体内多余的熵。”说得很对!从饮食呼吸中所获得的熵比通过排泄所抛弃的熵要少,不断抛弃身体内多余的熵是维持生命的必要条件,而死亡则是走向热平衡的最终归宿。在这个意义上说:生命在于不平衡。韩春旭先生别误会!这和你文中所说的是两回事,两者并不矛盾。

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发布时间:2015/2/23 14:17:06  阅读次数:2539

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