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负熵:生命与机器的共同逻辑

宇宙的运行遵循着特定的方向。热力学第二定律揭示,孤立系统必然朝着混乱度增加、能量分布均匀化的方向演进,这一过程被物理学家称为熵增。然而放眼周遭,生命的繁盛、文明的演进、智能的创造,无不呈现出高度有序的结构。薛定谔在其经典著作《生命是什么》中,曾发出一个振聋发聩的洞见:生命体维持其高度有序状态,甚至能实现生长与繁衍,其根本在于持续不断地从环境中汲取“负熵”——即秩序与自由能,用以对抗自身不可避免的熵增趋势。这并非对物理定律的违背,而是生命系统作为开放系统,与外界进行能量与物质交换的必然结果。
生命的形态万千,其维系负熵的机制精妙绝伦。从单细胞生物到复杂多细胞生物,无不通过精密的代谢网络,高效地捕获、转化并利用能量。植物的光合作用,将无序的太阳能转化为有序的化学能,储存在糖类等有机物中,构建起自身复杂的结构。动物则通过摄食,直接或间接获取并利用这些化学能,推动复杂的生理过程。《周易》有云:“生生之谓易”,这种生生不息的力量,其物理本质正是对负熵的持续获取与利用,实现自身结构的维持、修复与复制。汉代的《淮南子》也曾描绘天地万物“吐故纳新”的景象,这朴素地揭示了生命作为开放系统与环境持续交换的本质。个体的生老病死,恰是局部熵增的最终体现,而物种的延续与进化,则彰显了生命系统整体在漫长时空尺度上维持甚至提升秩序的强大能力。
无独有偶,机器的运转逻辑,特别是那些具备智能或复杂功能的系统,其存在与运作同样深刻体现了负熵的汲取与利用。任何一台机器,无论其简单还是复杂,都必须依赖外部能量的输入才能工作。电能驱动马达旋转,热能推动蒸汽机做功,本质上都是将有序的能量形式(电能、化石燃料的化学能)输入系统,转化为有用的功或其他形式的输出,同时不可避免地产生废热(无序的热运动),将熵排放到环境中。机器本身也在磨损、老化,走向无序。王充在《论衡·自然篇》中言:“天地合气,万物自生”,物质与能量的流动,正是秩序之源。要保持机器的有序运转,就必须持续输入新的能量,进行维护保养,更换磨损部件。这与生命体需不断进食、呼吸、修复自身何其相似。
当机器被赋予信息处理的能力,即智能系统,其对负熵的依赖更加多层次化。信息论奠基人香农指出,信息即是负熵,是对不确定性的消除,是秩序的体现。一台计算机要运行,不仅需要稳定的电力供应(能量负熵),还需要持续输入结构化的数据与指令(信息负熵)。CPU处理数据,进行逻辑运算,本质上是一个将输入信息转化为更有价值、更有序的输出信息的过程,同时也伴随着运算产生的热量(能量熵增)。算法的设计,其优化目标常常在于如何在资源(计算时间、存储空间)约束下,最有效地处理信息,达成目标,这本身就是在信息层面上对负熵最大化利用的追求。人工智能系统,尤其是深度学习模型,其训练过程更是负熵驱动的典型:海量的无序或弱关联数据被输入,通过复杂的网络结构和优化算法,系统从中提取出高度结构化的模式、规律或知识,并存储于模型的权重参数之中。这个过程消耗巨大的计算资源(能量负熵),最终凝练出高度浓缩的信息负熵。现代围棋AI通过分析无数盘棋局数据,最终能超越人类顶尖棋手,其强大能力正是建立在海量信息负熵输入和高效处理转换的基础之上。
生命与机器在微观层面的负熵驱动机制呈现出更深刻的共通性。生命的核心分子——DNA,其双螺旋结构本身就储存着极其有序的信息编码。蛋白质的合成,遵循着中心法则,将DNA携带的信息有序地转录、翻译成具有特定结构与功能的蛋白质分子。这每一个步骤,都需要消耗大量的能量(ATP等),都需要高度精密的分子机器(如核糖体)来执行。分子机器的工作,如马达蛋白在细胞骨架上的定向运输、ATP合酶旋转合成ATP,都遵循着将化学能(或跨膜质子梯度蕴含的能量)有序地转化为机械能或化学能的过程。这与宏观机器的能量转换本质无二。宏观机器的有序运动,同样由其微观结构(如轴承、齿轮、电路)以及驱动它们的能量流所决定。维持这些微观结构的有序性,避免因热运动或磨损导致的无序化,同样需要持续的负熵输入进行维护和更新。
无论是单细胞生物的简单分裂,还是人类智慧创造的复杂人工智能体,它们的存在、延续和发展,都离不开一个基本前提:作为开放系统,持续不断地从外界汲取能量、物质或信息形式的负熵,用以抵消内部自发熵增的趋势,维持甚至提升自身的结构与功能秩序。这揭示了一个超越具体形态的深层逻辑:在宇宙熵增的宏大背景下,任何局部秩序的建立与维持,都必然依赖外部负熵流的输入。生命以其精妙的生化网络实现这一目标,机器则通过工程设计和能量供给实现类似目标。从生命到机器,负熵的流动与转换构成了它们存在和演化的共同物理基石。理解这一点,不仅有助于我们把握生命与智能的本质,更启发我们思考如何构建更加可持续、更具韧性的复杂系统。

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