从热力学第二定律到第四定律:关于物理生命信息认知的大统一理论集智哲理

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导语

目录

1. 引言和背景:

还原唯物主义及现代科学世界观的根基

2. 热力学第一和第二定律:

维持和变化的物理基础

图1. 焦耳的桨轮实验。悬挂的重物(机械势能)连接到一个处于绝热容器(没有热量进出)内的桨轮上,并由约束装置固定。当约束装置被移除时,重物下落,带动桨轮转动,从而提高了水的温度。这证明了机械能和热能的等效性,同时总能量保持守恒 [4]。

“分子以相同的速度和相同的方向运动是可以想象的最不可能的情况...... 一种无限不可能的能量构型......”

3. 生命的本质、目的和运作方式?

达尔文主义作为进化理论的缺陷

图2. 随着大气氧气(O₂)水平的升高(PAL = 当前大气水平),机会性地产生越来越高级的有序状态 [21]

4. 颠覆第二定律是“无序定律”的观点:

物理选择或为什么世界会从事秩序生产

图 3. 贝纳德(Benard)对流实验的两个时间切片展示了一种粘性液体,其被置于底部均匀热源(source)和顶部冷空气(热汇(sink))之间。两者的温差产生了一个具有热力学力F的势。当F低于临界阈值时,系统 (a) 处于无序或 '玻尔兹曼状态',热量通过分子的无序碰撞流动,宏观状态看起来是同质的(homogeneous)。相较之下,(b) 一旦F增加到阈值以上,宏观状态就被从微观状态中选择了出来(从无序流中产生了有序),数以亿计的分子开始集体移动 [5]。

图 4. 典型的自催化动力系统。E(左侧)是守恒量(能量,“世界”),自催化动力系统正是由此产生并以之维持自身。EI 和 EⅡ 分别表示源(能量 E 的非平衡区域)和汇(能量 E 的平衡或接近平衡的区域),它们之间的梯度形成一个势,并产生力 F₁,F₁ 的大小由梯度陡峭程度决定。ΔEI 是流入系统或从该势中流出的能量流,它在输出端转化为熵 ΔS。EⅢ 是系统内部的势,该势由系统的构成关系携带,并根据系统距离平衡态的远近施加反作用力 F₂ 来放大或维持输入能量。(取自 auto-'自我’+cata '向下’+kinetic '物质运动及其相关联的力和能量’) [4,7]。

图 5. 贝纳德对流系统的一般示意图。T₁→T₂是下方热源和上方热汇之间的原始温度梯度,其有一个由温度梯度陡峭程度衡量的力F₁,该力驱动着流。T₃→T₄显示了发展出来的表面温度梯度,其具有力F₂,可反向作用以放大结构的实例化。通过这种自发的秩序构建,系统的时空维度会增加几个数量级 [20]。

图 6. 在类似于图4的简单流体实验中,从无序到有序转变过程中热传输速率的不连续增加(热通量与源/汇梯度关系图)[4]。

第四定律本身并没有直接谈到自发秩序构建,但结合第二定律的平衡方程,很容易推导出普遍的秩序构建原理,即:

如果 热力学第四定律或LMEP成立(世界会选择......速度最快的路径)

并且如果 有序流能比无序流更快地产生熵(第二定律的平衡方程)

5. 生命、信息和“心智”(认知)的进化

6. 结论

参考文献

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生命复杂性读书会:生命复杂系统的构成原理

在生物学中心法则的起点,基因作为生命复杂系统的遗传信息载体,在生命周期内稳定存在;而位于中心法则末端的蛋白质,其组织构成和时空变化的复杂性呈指数式增长。随着分子生物学数十年来的突飞猛进,尤其是生命组学(基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等的集合)等领域的日新月异,当代生命科学临近爆发的边缘。如此海量的数据如何帮助我们揭示宇宙中最复杂的物质系统——“人体”的构成原理和设计原理?阐释人类发育、衰老和重大疾病的发生机制?

THE END
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