一、熵

热力学第一定律指出能量是守恒的，可以转化而不会消失。热力学第二定律指出，虽然能量可以转化，但是无法100%利用。在转化过程中，总是有一部分能量会被浪费掉，用公式表达：能量总和＝有效能量 +无效能量。“有效能量”指的是可以被利用的能量，“无效能量”指的是不可以利用的能量。熵就是系统中存在的无效能量。

热力学乍一听让人觉得深不可测、晦涩难懂，其实它所讲的是最简单且给人带入感最强的科学概念。热力学的第一定律和第二定律可以用一句简单的句子来表达：“宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断增加的。”也就是说，我们既无法创造，也无法消灭能量。整个宇宙中的能量总和从一开始就是固定的，而且永远不会改变。因此，热力学第一定律就是能量守恒定律，它告诉我们能量虽然不能创造和消灭，但是能量的形式却可以相互转化。拿一辆汽车为例，汽车里汽油的能量总和＝汽车发动机做的功+散发的热量+排放的废气，汽油的能量表现形式可能会产生三种变化，但是总的能量值是不变的。

通过认识热力学第一定律，它告诉我们一个基本现实：我们从来都不可能创造能量，也从来没有人创造过能量。我们能做的只是将能量从一种形式转化为另一种形式，然后为己所用。世间万物之所以呈现出千变万化的参差之态，只不过是能量的不同集聚与转化造成的。但是如果我们只考虑热力学第一定律，那么现实生活中有很多例子与热力学第一定律的描述并不吻合。比如，我们烧掉了一块煤，煤的能量转化成了固体残留物、二氧化碳、热量和其他气体，热力学第一定律告诉我们，世界上任何一个东西的能量都是常数，不管怎样能量都不会多也不会少。因此，这个煤的能量总和＝固体残留物+产生的二氧化碳+热量+其他气体。反过来，所产生的固体残留物+二氧化碳+热量+其他气体也应该能产生跟原来的煤一样的功才对。可是事实上并不能，而且过程也不可逆。这是怎么回事呢？热力学第二定律告诉了我们答案。

热力学第二定律告诉我们，当能量在以不同形式转化的过程中，我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量，这就是所谓的熵。熵是不能再被转化做功的能量的总和，这一概念是1856年德国科学家克劳修斯（CLausius）在讨论热循环时首次提出的。他认为“在孤立的系统内，分子的热运动总是从原来集中、有序的排列状态趋向分散、混乱的无序状态，系统在从有序向无序自发演进的过程中，熵总是增加的。当熵在一个系统内达到最大时，系统就处于能量平衡状态而呈现出一种静寂状态”。

1877年，路德维希·玻尔兹曼提出任何粒子的常态都是随机运动，也就是“无序运动”，如果让粒子呈现“有序化”，必须耗费能量。所以，能量可以被看作“有序化”的一种度量。热力学第二定律实际上是说，当一种形式的“有序化”转化为另一种形式的“有序化”，必然伴随产生某种“无序化”。一旦能量以“无序化”的形式存在，就无法再利用了，除非从外界输入新的能量，让无序状态重新变成有序状态。譬如，河水越过水坝流入湖泊，当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的状态了。在水平面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量状态分别被称为“有效的”（或“自由的”）能量，和“无效的”（或“封闭的”）能量。

总之，熵定律告诉我们，自然界的能量总数也许是不变的，但是有效能量却是在不断减少的，这就提醒我们自然界的能源并非用之不尽、取之不竭。每当自然界发生任何事情，就会有一定的能量被转化为不能再做功的无效能量，这些无效能量也就是我们所看到的污染。因此，从某种意义上说，污染和熵是一组同义词。

（一）熵增

熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理，是适合热力学孤立体系的。熵增定律仅适合于孤立体系，绝对的联系和相对孤立的综合，才是事物运动的本质。虽然从处理方法上讲，假定自然界存在孤立过程是可能的，但是从本质上讲，把某一事物从自然界中孤立出来带有明显的主观意愿。当系统不再人为地被孤立的时候，它就不再是只有熵增，而是既有熵增，又有熵减。于是可以看到能量守恒定律仍然有效。总之，在一个封闭的系统里，系统中每个局部的熵减少，都须以其他地方的熵增加为代价。而且，熵总是增大的，一直大到不能再大的程度，这时系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。

（二）负熵

奥地利著名理论物理学家、量子力学创始人薛定谔在《生命是什么》一书中提到了负熵的概念，他在书中写到：“一个生命有机体在不断地产生熵——或者说在增加正熵，并逐渐趋近于最大熵的危险状态，即死亡。要摆脱死亡，要活着，唯一的办法就是从环境中不断地汲取负熵。一个生命有机体具有推迟趋向热力学平衡（死亡）的奇妙能力，就像是活有机体吸引一串负熵去抵消它在生活中产生的熵总量，从而使它自身维持在一个稳定而又低熵的水平上。”生命有机体要摆脱死亡，就要活着，唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵。汲取负熵去抵消它在生活中产生的熵增，从而使它自身维持在一个稳定而又很低的熵的水平上。这里的负熵，薛定谔认为不是简单的取负号的熵，而是系统有序的量度，负熵增加意味着事物向着有序的方向发展，是进化的标志。这如同“不能认为负数仅仅是取负号的正数”，因为正数若意味着盈利，负数则意味着亏空。总之，负熵不是简单的物质、信息或能量的总称，而是使系统朝进化方向发展的源泉。只要当系统在吸收了该物质，或信息、能量产出了系统的进化时，该物质就是负熵。例如，动物的粪便对动物自身而言是正熵，但是土壤在粪便的作用下，提高了肥力，增加了植物生长所需的营养，对植物来说就是负熵。

薛定谔在《生命是什么》中提出了一个非常深刻的问题：生命的特征是什么？一个物质什么时候可以认为是活的？薛定谔认为，“当‘它’保持在‘做某些事情’、保持运动、持续与环境交换物质，且其期望比一个无生命物质在类似情况下‘保持下去’的时间要长得多”。从薛定谔这段话中，我们可以总结出生命长久存在的三大必要条件，依次分别是目的性（保持在“做某些事情”）、运动性（保持运动、持续与环境交换物质）、不死性（期望比一个无生命物质在类似情况下“保持下去”的时间要长得多）。鉴于此，我们可以引出生命有机体负熵为生的三大条件。

一是万物要存在，必须先稳定有序。众所周知，原子分子级别的粒子无时无刻不在各自进行着毫无秩序的热运动，但是，宇宙是由稳定的物质所占据的，只有稳定才能认为“你”所存在，“你”存在的时间之长足以值得宇宙为你命名，凡是不稳定的存在都将被宇宙所抛弃。所谓适者生存，实则是稳者生存。

二是去中心化生存，必须要复制有序。生命有两个存在分支：一个是中心化生存的无机生命；另一个是去中心化生存的有机生命。前者是以单一或少数物质集中抱团的方式存在，物质间各自为营，完全独立，如果将其脱离分解，将不复存在；后者则拥有强大的复制基因，能够不断分裂复制自我分子。前者集聚统一，后者分裂复制，这也是区分中心化生命与去中心化生命的唯一标准。

三是差异化生存，必须要选择有序。差异化生存是自然进化中智慧的一面，虽然很有可能只是因为错误被迫差异化，但恰恰是错误让生命尝到了差异化的甜头，从而成就了生命的反脆弱性。无序与有序两极之间的博弈消长如道之阴阳，无序的可能性与不确定性总会冲击有序的力量，有机生命为了应对这种不确定性的办法就是不断试错，以此多元化自己的基因库，在平和安详的时代多用显性基因不断优化自身，在剧变环境与应激条件下，则启用某个预备的隐形基因来适应。