一、宇宙热寂论、麦克斯韦妖与负熵

热力学发展的初期，克劳修斯（ R.J.E.Clausius ）和汤姆逊

（W.Thomson，即开尔文 LordKelvin）等人，把热力学第二定律滥用于整个宇宙，得出荒谬的“宇宙热寂论”，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失，压力变为均匀， 所有的能量都成为不可再进行传递和转化的束缚能，整个宇宙都陷入停止变化、停止发展的状态。

在 19 世纪，能够认识到热寂论谬误的科学家寥寥无几。在文献中留下记录的，只有波耳兹曼（L.E.Boltzman）和麦克斯韦（J.C.Maxwell）两人。早在 1866 年，离克劳修斯提出“宇宙的熵趋向极大值”的论点不过一年时间，甚至当克劳修斯还来不及进一步发挥成宇宙热寂论时（克劳修斯说宇宙将发生热的死寂是在 1867 年），玻耳兹曼就注意到生物的生长过程与熵增加相拮抗的事实。他说：“生物为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争（联系上下文来看，波耳兹曼这句话的意思是说生物学过程是对抗熵增加的斗争——本文作者注）。这种斗争在能量从热的太阳到冷的地球的转移过程中很有价值。为了尽可能利用这种转移，植物铺开了它的面积大得不可计量的叶片，以一种尚未探明的方式，迫使太阳去完成我们在实验室中不知道如何完成的化学合成。” 1895 年，波耳兹曼还曾进一步提出“微观起伏”说来反驳热寂论。

麦克斯韦也模模糊糊、隐隐约约地意识到，自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他当时无法清晰地说明这种机制。他只能假定一种“类人妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。这就是 1871 年出现的有名的“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon）的概念。

由于麦克斯韦妖只是一种猜想，当然不可能解决宇宙热寂论的问题。玻尔兹曼所说的绿色植物进行光合作用与熵增加相拮抗，则要求从阳光输入更多的负熵，也就是说，是以太阳的更大的熵增加为代价的。至于微观起伏，也远远不足以与宇宙中极其巨大的熵增加过程（例如恒星的衰老死亡和宇宙本身的膨胀）相抗衡。于是，宇宙热寂论成了 19 世纪的自然科学

留给 20 世纪的一大疑难问题。

1914 年，斯莫鲁霍夫斯基（M.Smoluchowski）第一次揭示了“麦克斯韦妖”的荒谬性。他提出“妖”的新陈代谢问题。他指出，干预系统的“妖” 要看作系统的一部分，不然就不是孤立系统。当时斯莫鲁霍夫斯基的想法太粗略，以至没有能够说服物理学家们。

齐拉德（Leo Szilard）在斯莫鲁霍夫斯基工作的影响下，对麦克斯韦妖作用的原理进行了较为深入的分析。1929 年，德国《物理学期刊》上发表了齐拉德的一篇论文“精灵的干预使热力学系统的熵减少”。首先，齐拉德提出熵减一定以系统的某种物理量作为补偿，这一物理量的补偿实际上就是增加信息。齐拉德的工作是现代信息论的先导，他还提出了一个计

算信息量的公式：

I=-k（W1lnW1+W2lnW2）

式中 W 是热力学几率。齐拉德还首次提出了“负熵”这个经典热力学中从未出现过的概念和术语。齐拉德这篇开创性的论文当时也没有被人们充分理解。更令人遗憾的是，他本人也没有沿着这条道路继续探索下去。 1944 年，著名的物理学家、量子力学的奠基人之一、诺贝尔奖获得者

薛定锷（E.Schrodinger）出版《生命是什么？》一书，更加明确地论述了负熵的概念，并且把它应用到生物学问题中，提出了“生物赖负熵为生”

（或译“生物以负熵为食”）的名言。薛定锷说：“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵。我们马上就会明白， 负熵是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者更确切地说，新陈代谢中的本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。”

负熵的概念最初是不容易被人们接受的。薛定锷本人也明白地写道： “关于负熵的说法，遭到过物理界同事们的怀疑和反对。我首先要说的是， 如果我只是想迎合他们的心意的话，那我就该用自由能来代替这个问题的讨论了”。薛定锷一开始就意识到负熵与自由能的联系，说明他的目光敏锐，思想深刻。如果有一种机构，它是一个开放系统，能够不断地从外界获得并积累自由能，它就产生负熵了。生物体就是这种机构。动物从食物中获得自由能（或负熵），而绿色植物则从阳光中获得它们，这真是“生物赖负熵为生”！后来著名的美籍俄裔理论物理学家兼科普作家盖莫夫

（G.Gamow）在一本通俗著作中也讨论过这个问题。