在所有的科学进步中，进化论或许是最令人类最纠结的产物。1859年，著名的生物学家
查尔斯·达尔文（Charles Darwin）出版了《物种起源》一书。他的革命性理论，威胁到人类这一物种在天地宇宙中的崇高地位！然而，在同一个时代，另一个不那么引人注目、似乎毫不相关的科学革命也悄然发生。在物理学中，有一个概念，叫熵（Entropy）。人们用它来解释为什么蒸汽机的效率永远达不到完美。听上去很无害吧？但本质上，熵的概念也是对传统理念的一种挑战。但其实，熵和进化论之间有着许多人不知道的数不清道不明的联系。
熵，是由奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）阐述并倡导的，而他也恰巧是达尔文学说在物理学界最大的推动者之一。在1886年，达尔文去世的四年后，玻尔兹曼举办了一场关于熵的公众讲座，他说：“如果你问我内心深处的信念，我们的世纪将被称为钢铁世纪还是蒸汽或电的世纪呢？我会毫不犹豫地回答：它将被称为机械自然观的世纪，达尔文的世纪。”
其实，玻尔兹曼不仅仅是达尔文的拥护者，他对进化论的理解比那个时代的大多数人都更加深刻，并认识到其核心思想的全部含义。具体来说，他掌握了进化论和热力学是如何都依赖于对历史的理解，以及那些微小的变化是如何随着时间积累的。在19世纪，这些想法可是对传统观点的巨大挑战，甚至被许多人认为是邪恶的。
○ 除了都有一脸华丽的胡须，达尔文和玻尔兹曼会有什么共同点呢？| 图片来源：GL Archive/bilwissedition/Alamy
除了都有一脸华丽的胡须，达尔文和玻尔兹曼两个人并没有很多共同点。虽然是同一时期的科学工作者，他们却从来没有见过面。达尔文比玻尔兹曼年长一辈，他是出身于名门的绅士；由于疾病缠身，晚年达尔文的大部分时光都在家中度过。而此时的玻尔兹曼在大学教书，并指导了许多后来的物理学先驱。他发明小工具，写诗，喜欢旅行。不幸的是，如他在书中描述的，后来的他与抑郁症斗争，并在1906年逝于自杀。
从表面上看，两位大胡子科学家的理论也似乎毫不相关。但深入研究会发现，他们的理论不可分割地交织在一起。
进化论和熵的概念都挑战了很多人对“自然”秩序的看法。达尔文说人类的祖先是其他动物，我们与所有生物一样都在一个“家谱”之中，并且受到一种普遍过程的支配，称作自然选择（natural selection）。而玻尔兹曼说有序的物理规律可以导致无序，而这需要使用统计语言和概率来理解。这两个想法都干扰了19世纪人们对进步和永恒提升的看法，不过，玻尔兹曼可能是第一个认识到两个理论间这种联系的人。
最初，熵的概念是由蒸汽机工程师发现的。他们意识到，无论他们的机器多么高效，在运行中总是有一些能量损失。能量没有被破坏（因为那是不可能的），只是不能被人使用的。鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）用损失的能量定义了 “熵”（entropy）这个物理量，这个词来自希腊语中的“转换”而且它的发音类似 “能量”（energy）。
后来，物理学家们在热力学第二定律中阐述了熵的意义：任何不受外部影响的系统，熵将保持不变或增加。这相当于在宇宙的层面上说，天下没有免费的午餐。每一笔交易都要付出代价。然而，以这种方式定义并没有说明什么是熵，玻尔兹曼想知道更多。
当科学发展到19世纪，科学家们开始将不同领域的知识统一起来：比如，电与磁间的联系被发现了，利用物理中新的方法确认更多的化学元素等等。玻尔兹曼则试图使用支配宏观物体的牛顿定律来理解气体的行为。
他这样做可是有先例的，那就是“分子运动论 ”（kinetic theory）。该模型是由詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和他的同事们一起提出的。（麦克斯韦因统一了电和磁的理论，从而证明了光是一种电磁波而举世闻名。）分子运动论将微观气体粒子的速度与可测量的量（如温度）联系起来。根据牛顿定律，这些粒子碰撞前后看起来应该是一样的 （改变时间的方向，再撞回来嘛）。但是，熵必须增加或保持不变——这是不可逆的呀！
说起来，不可逆性是生活中再平常不过的部分。打破玻璃杯、把水洒在地板上都是不可逆转的。玻璃碎片和水分子不会自发重新结合。蛋糕面糊中的成分不会分离，喷在房间里的香水不会流回瓶子。玻尔兹曼想用微观物理学来解释这些现实中的不可逆现象。他通过证明大量的气体分子会产生不可逆的结果达到了目的。
让我们来做一个实验：试想将一个可移动的隔板放在一个密封的盒子里，在实验中，我们用某种气体填充箱子的一半，然后稍微打开隔板。一些气体会通过隔板中的开口散开，一段时间后在箱的两侧具有大致等量的气体。
如果我们在箱子的两侧开始都有气体，然后打开隔板，我们几乎肯定，气体不会只聚集在箱子的一边，即使我们等待很长的时间。虽然粒子之间或粒子与容器壁之间的每次碰撞都可逆，结果也是不可逆的。
当然，也有可能所有气体颗粒都自发地从容器的一侧运动到另一侧。但正如玻尔兹曼指出，这种可能性极小，我们不用太担心。同理，熵也能够自发地减少，但这几乎不会发生。而熵增加或者保持不变（当气体均匀地分布在容器中）的可能性则是大大的。
即使从粒子完全可逆的微观行为开始，其结果也是有方向的，不可逆转的。从这里，玻尔兹曼看到熵和进化之间的联系。
在生物学中，每一个代际之间存在着微小变化，在这里的讨论中，是没有方向并且随机的。但达尔文的自然选择理论证明，它们如何最终导致不可逆转的变化，为新物种如何从已有物种中产生提供了一个潜在的解释。达尔文称这种现象是“后代渐变”（descent with modification），并引入了自然选择的观点进行解释。
而玻尔兹曼认识到，这是了解生命繁殖的深刻理解，就像他对熵的解释为物理学中不可逆过程提供了深刻的理解。除了不可逆性之外，他还认识到生物之间还涉及了对资源的竞争，换句话说，一种使熵最小化的战斗。
生物具有各种各样的性状。这些性状中的一些是适应性的，可以帮助生物生存：使其能够找到食物，或避免成为其他生物的食物。一些性状对生物不利，还有一些中性的性状，既没有帮助也没有害处。自然选择则是在进化中选择有利的性状淘汰不利的性状。（波尔兹曼甚至使用达尔文的理论来论证我们在理解世界的能力有助于人类生存和成功，这意味着根据达尔文的理论，人类思维——许多哲学讨论的主题——是一种适应性性状。）
○ 加拉帕戈斯群岛的雀类为达尔文进化论中的自然选择观点提供了一个关键例子。| 图片来源：MarcPo / iStock
自然选择对生命而言是一种严酷的观点。但生物需要来自空气、土壤或吃掉其他生物以获取食物，这就意味着竞争。幸存下来的生物将其适应性性状传递给后代，而有害的性状则消失。如果这些特征在后代中累积得足够多，那么全新的物种就会出现。我们也是其中之一：人类来源于自然选择和适应的过程，就像所有其他生物一样。
玻尔兹曼使用这两种理论来论证生命的斗争不是关于能量。地球从太阳得到大量的能量，远远超过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，生命是通过捕获尽可能多的可用能量来使熵降低的斗争。
玻尔兹曼充满洞察力的理解将达尔文的理论与基础物理学联系起来，这是一个惊人的成就：彰显了进化和熵的影响是如何超越其各自的原始领域。如今，我们在信息论中运用进化算法和熵，而进化论则是NASA搜索其他世界的生命时使用的标准。
达尔文和玻尔兹曼共同引领的革命还在继续。也许我们甚至可以说，他们的学说已经在“共同进化”了。
撰文：Matthew R. Francis
翻译：秋水
原文链接：https://www.smithsonianmag.com/science-nature/hidden-connections-between-darwin-and-physicist-who-championed-entropy-2-180961461/
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