"進化論"和"熵"之間不得不說的秘密

在所有的科學進步中，進化論或許是最令人類最糾結的產物。1859年，著名的生物學家查爾斯·達爾文（Charles Darwin）出版了《物種起源》一書。他的革命性理論，威脅到人類這一物種在天地宇宙中的崇高地位！然而，在同一個時代，另一個不那麼引人注目、似乎毫不相關的科學革命也悄然發生。

在物理學中，有一個概念，叫熵（Entropy）。人們用它來解釋為什麼蒸汽機的效率永遠達不到完美。聽上去很無害吧？但本質上，熵的概念也是對傳統理念的一種挑戰。但其實，熵和進化論之間有著許多人不知道的數不清道不明的聯繫。

熵，是由奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）闡述並倡導的，而他也恰巧是達爾文學說在物理學界最大的推動者之一。在1886年，達爾文去世的四年後，玻爾茲曼舉辦了一場關於熵的公眾講座，他說：「如果你問我內心深處的信念，我們的世紀將被稱為鋼鐵世紀還是蒸汽或電的世紀呢？我會毫不猶豫地回答：它將被稱為機械自然觀的世紀，達爾文的世紀。」

其實，玻爾茲曼不僅僅是達爾文的擁護者，他對進化論的理解比那個時代的大多數人都更加深刻，並認識到其核心思想的全部含義。具體來說，他掌握了進化論和熱力學是如何都依賴於對歷史的理解，以及那些微小的變化是如何隨著時間積累的。在19世紀，這些想法可是對傳統觀點的巨大挑戰，甚至被許多人認為是邪惡的。

○ 除了都有一臉華麗的鬍鬚，達爾文和玻爾茲曼會有什麼共同點呢？| 圖片來源：GL Archive/bilwissedition/Alamy

除了都有一臉華麗的鬍鬚，達爾文和玻爾茲曼兩個人並沒有很多共同點。雖然是同一時期的科學工作者，他們卻從來沒有見過面。達爾文比玻爾茲曼年長一輩，他是出身於名門的紳士；由於疾病纏身，晚年達爾文的大部分時光都在家中度過。而此時的玻爾茲曼在大學教書，並指導了許多後來的物理學先驅。他發明小工具，寫詩，喜歡旅行。不幸的是，如他在書中描述的，後來的他與抑鬱症鬥爭，並在1906年逝於自殺。

從表面上看，兩位大鬍子科學家的理論也似乎毫不相關。但深入研究會發現，他們的理論不可分割地交織在一起。

進化論和熵的概念都挑戰了很多人對「自然」秩序的看法。達爾文說人類的祖先是其他動物，我們與所有生物一樣都在一個「家譜」之中，並且受到一種普遍過程的支配，稱作自然選擇（natural selection）。而玻爾茲曼說有序的物理規律可以導致無序，而這需要使用統計語言和概率來理解。這兩個想法都干擾了19世紀人們對進步和永恆提升的看法，不過，玻爾茲曼可能是第一個認識到兩個理論間這種聯繫的人。

最初，熵的概念是由蒸汽機工程師發現的。他們意識到，無論他們的機器多麼高效，在運行中總是有一些能量損失。能量沒有被破壞（因為那是不可能的），只是不能被人使用的。魯道夫·克勞修斯（Rudolf Clausius）用損失的能量定義了 「熵」（entropy）這個物理量，這個詞來自希臘語中的「轉換」而且它的發音類似 「能量」（energy）。

後來，物理學家們在熱力學第二定律中闡述了熵的意義：任何不受外部影響的系統，熵將保持不變或增加。這相當於在宇宙的層面上說，天下沒有免費的午餐。每一筆交易都要付出代價。然而，以這種方式定義並沒有說明什麼是熵，玻爾茲曼想知道更多。

當科學發展到19世紀，科學家們開始將不同領域的知識統一起來：比如，電與磁間的聯繫被發現了，利用物理中新的方法確認更多的化學元素等等。玻爾茲曼則試圖使用支配宏觀物體的牛頓定律來理解氣體的行為。

他這樣做可是有先例的，那就是「分子運動論」（kinetic theory）。該模型是由詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）和他的同事們一起提出的。（麥克斯韋因統一了電和磁的理論，從而證明了光是一種電磁波而舉世聞名。）分子運動論將微觀氣體粒子的速度與可測量的量（如溫度）聯繫起來。根據牛頓定律，這些粒子碰撞前後看起來應該是一樣的 （改變時間的方向，再撞回來嘛）。但是，熵必須增加或保持不變——這是不可逆的呀！

說起來，不可逆性是生活中再平常不過的部分。打破玻璃杯、把水灑在地板上都是不可逆轉的。玻璃碎片和水分子不會自發重新結合。蛋糕麵糊中的成分不會分離，噴在房間里的香水不會流回瓶子。玻爾茲曼想用微觀物理學來解釋這些現實中的不可逆現象。他通過證明大量的氣體分子會產生不可逆的結果達到了目的。

○ 1887年，玻爾茲曼和他的同事。1884年2月20日，玻爾茲曼出身於維也納，他最大的貢獻是發展了統計力學。

讓我們來做一個實驗：試想將一個可移動的隔板放在一個密封的盒子里，在實驗中，我們用某種氣體填充箱子的一半，然後稍微打開隔板。一些氣體會通過隔板中的開口散開，一段時間後在箱的兩側具有大致等量的氣體。

如果我們在箱子的兩側開始都有氣體，然後打開隔板，我們幾乎肯定，氣體不會只聚集在箱子的一邊，即使我們等待很長的時間。雖然粒子之間或粒子與容器壁之間的每次碰撞都可逆，結果也是不可逆的。

當然，也有可能所有氣體顆粒都自發地從容器的一側運動到另一側。但正如玻爾茲曼指出，這種可能性極小，我們不用太擔心。同理，熵也能夠自發地減少，但這幾乎不會發生。而熵增加或者保持不變（當氣體均勻地分布在容器中）的可能性則是大大的。

即使從粒子完全可逆的微觀行為開始，其結果也是有方向的，不可逆轉的。從這裡，玻爾茲曼看到熵和進化之間的聯繫。

在生物學中，每一個代際之間存在著微小變化，在這裡的討論中，是沒有方向並且隨機的。但達爾文的自然選擇理論證明，它們如何最終導致不可逆轉的變化，為新物種如何從已有物種中產生提供了一個潛在的解釋。達爾文稱這種現象是「後代漸變」（descent with modification），並引入了自然選擇的觀點進行解釋。

而玻爾茲曼認識到，這是了解生命繁殖的深刻理解，就像他對熵的解釋為物理學中不可逆過程提供了深刻的理解。除了不可逆性之外，他還認識到生物之間還涉及了對資源的競爭，換句話說，一種使熵最小化的戰鬥。

生物具有各種各樣的性狀。這些性狀中的一些是適應性的，可以幫助生物生存：使其能夠找到食物，或避免成為其他生物的食物。一些性狀對生物不利，還有一些中性的性狀，既沒有幫助也沒有害處。自然選擇則是在進化中選擇有利的性狀淘汰不利的性狀。（波爾茲曼甚至使用達爾文的理論來論證我們在理解世界的能力有助於人類生存和成功，這意味著根據達爾文的理論，人類思維——許多哲學討論的主題——是一種適應性性狀。）

○ 加拉帕戈斯群島的雀類為達爾文進化論中的自然選擇觀點提供了一個關鍵例子。| 圖片來源：MarcPo / iStock

自然選擇對生命而言是一種嚴酷的觀點。但生物需要來自空氣、土壤或吃掉其他生物以獲取食物，這就意味著競爭。倖存下來的生物將其適應性性狀傳遞給後代，而有害的性狀則消失。如果這些特徵在後代中累積得足夠多，那麼全新的物種就會出現。我們也是其中之一：人類來源於自然選擇和適應的過程，就像所有其他生物一樣。

玻爾茲曼使用這兩種理論來論證生命的鬥爭不是關於能量。地球從太陽得到大量的能量，遠遠超過生物以光合作用的形式使用的能量（和其他生物吃植物和其他光合作用）。相反，生命是通過捕獲儘可能多的可用能量來使熵降低的鬥爭。

玻爾茲曼充滿洞察力的理解將達爾文的理論與基礎物理學聯繫起來，這是一個驚人的成就：彰顯了進化和熵的影響是如何超越其各自的原始領域。如今，我們在資訊理論中運用進化演算法和熵，而進化論則是NASA搜索其他世界的生命時使用的標準。

達爾文和玻爾茲曼共同引領的革命還在繼續。也許我們甚至可以說，他們的學說已經在「共同進化」了。

撰文：Matthew R. Francis

翻譯：秋水

編輯：嵐芷玥

原文鏈接：https://www.smithsonianmag.com/science-nature/hidden-connections-between-darwin-and-physicist-who-championed-entropy-2-180961461/

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