为了拯救自由意志,也为了拯救自己的宗教信仰,麦克斯韦设计了一个思想实验。想象在一间房子的门口住着一个妖怪,对经过门口的每一个粒子的速度进行测量,只允许速度快的粒子进门。久而久之,房子里便会充斥着速度快的粒子,使得这间房子永远保持高温状态而无需加热。按照热力学第二定律,封闭系统中的熵应该是不断增加的,但在这里,系统本来是均匀的,但经过妖怪的操作后,竟然变得更加有序了(低熵状态)。这似乎违反了热力学第二定律。于是,熵增定理导致的决定论似乎被打破了,人类重新获得了自由。
可惜这个思想实验是不正确的,因为妖的存在本身也要消耗能量和增加熵。德裔美国物理学家罗尔夫·兰道尔(Rolf Landauer)通过计算指出,那个想象中的"麦克斯韦妖"要决定是否让分子通过,就必须观测并存储信息,在测完粒子速度之后必须擦除内存才能继续测量下去,而这个擦除动作是需要消耗能量的,其最低值被称为兰道尔极限值(Landauer limit)。这意味着虽然妖怪能局部降低系统熵,但它自己需要进行计算,这个计算过程最终导致总熵增加。因此,热力学第二定律依然成立,热寂仍然会是宇宙的终点。
不过,按照另一位物理学家薛定谔的观点,生命其实并不违反热力学第二定律,因为所有的生命都是封闭的非平衡系统。这样的系统在大自然中相当常见,比如飓风和水流的漩涡就是两个很好的例子。这样的封闭系统只要持续地从外界获得能量,持续抵抗熵增,就能自发地组织成有序结构。换句话说,生命本质上就是一个具备自组织能力的非平衡系统,只要为麦克斯韦妖提供一定的能量,就能让房间永远保持高温。这意味着,生命有能力在一个总体熵增的环境里暂时维持局部的有序状态。
随着生物学研究的深入,科学家们发现细胞这间房子的门口住满了麦克斯韦妖——也就是遍布细胞膜的各种离子通道。它们有选择地让某一类离子通过,而拒绝另一类离子的进出,以此来维持细胞内外的渗透压差,细胞的生物活性就是靠这个压差来维持的。当然了,这些小妖是需要能量的,并不违反热力学第二定律,但有研究显示,细胞完成这个工作所需的能量仅为兰道尔极限值的10倍左右。相比之下,现在最好的计算机要想完成类似的工作,所需消耗的能量至少是兰道尔极限值的100万倍。仅从这一点就可以看出,人工智能的效率还远远比不上大自然进化出的生命智慧。
在这个例子中,遍布细胞膜表面的麦克斯韦妖(也就是各种离子通道)展现出了类似"行为主体"的特征。它们有特定的目标(维持细胞内外的渗透压差),具备收集信息的能力(鉴别不同的离子类型),以及根据环境信息做出相应行动的能力(泵出特定的离子)。更重要的是,细胞生活在一个复杂的环境里,每时每刻都有大量离子经过细胞膜,膜上的这些小妖每时每刻都被海量的信息包围着,它们必须知道哪些信息是有用的,哪些信息是噪音。这个本事一方面可以从进化中习得,但也可以从生活经验中慢慢总结出来。如果这些小妖不是"行为主体"的话,很难想象会出现这样的结果。
正因为如此,鲍尔坚信"主观能动性"才是生命区别于非生命的最核心的要素,除去这一点,其他同样具备自组织能力的非平衡系统不是生命。举例来说,河流中的漩涡依靠水流带来的能量维持了自身的存在,这可以理解为一种简单的新陈代谢。这些漩涡也可以持续生产出更多的漩涡,这可以理解为一种简单的自我复制。但是,这些漩涡没法做到根据水流的情况主动做出应对,它们不是具备主观能动性的"行为主体",因此它们不是生命。
换句话说,生命并不是碰巧出现的一种能够抵抗熵增的非平衡结构(比如飓风和漩涡),而是专门为此目的(抵抗熵增)而进化出来的一种更加复杂的非平衡结构。如果你按照抵抗熵增的能力来为自然界出现的各种非平衡结构排个序的话,生命肯定排名第一。按照热力学定律,一个封闭系统对熵增的局部抵抗反而更能促进宇宙整体的熵增——例如生命获取能量的过程会释放更多的热量,使环境的熵增长更快。所以生命的出现其实是熵增定律的一个推论,是熵增定律所主导的世界最有可能出现的结果。
那么,生命的这种超能力是哪来的?答案就是基于自然选择的进化,而"行为主体"的出现恰恰是进化的杰作。想象一下,如果一种生物只能根据写在DNA上的指令来应对外部环境的变化,那么它要么非常脆弱,要么需要海量的DNA,这显然是过于昂贵了。但是,如果一种生物能够根据自己的需求,对不同的外部环境做出灵活的反应,那么它一定会更好地适应环境,并在进化中胜出,这就是"行为主体"的成因。这个"行为主体"能够最高效地抵抗熵增,正是因为它具备主体能动性,有自己的目的和意义。很多原教旨唯物主义者不敢谈生命的目的和意义,认为这是唯心主义的,属于宗教的范畴,但事实恰好相反,追寻生命的目的和意义,其实是有生物学基础的。进化就是最有可能产生目的和意义的过程,大家千万不要小瞧进化的力量。
当然了,进化本身没有目的,但制造意义是维持生存和繁衍的绝佳方式,甚至可能是唯一的方式,所以能够产生意义的那个实体就是进化所能产生的最成功的实体——这就是生命。
总之,鲍尔坚信生命就是在宇宙中创造出意义的东西,现代生物学所面临的最大挑战就是对生命的意义开发出一个合理的解释框架,只有这样才能真正明白生命是如何运作的。甚至,他认为只有这样的生物学研究才有意义。"如果我们不搞明白生命的意义,研究那么多细节有什么用呢?"他在这本书的结尾这样写到。