劉愷

生命與熵

為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體？為什么凋落的樹葉不會重回枝頭，枯萎的花瓣不會重新綻放？

自然界中宏觀事物的發(fā)展過程都有一個優(yōu)先的方向，遵循的規(guī)律便是熱力學第二定律，也稱“熵（shāng）增加原理”?？梢院唵蔚乩斫鉃?，事物總是向無序的方向（或者說充滿更多可能性的狀態(tài)）發(fā)展，而這種無序的程度（或者說不確定性）即為“熵”。

“熵”是一個非常奇妙的抽象概念，由德國物理學家克勞修斯于1865年提出，最初是用來描述“能量退化”的物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)之一。根據(jù)熵增加原理，孤立系統(tǒng)的熵永不自動減少，熵在可逆（平衡）過程中不變，在不可逆過程中增加。

人的生命也如此，從物理層面的運動到精神層面的思考，都會消耗能量并產(chǎn)生熵，打破原有的平衡。生命過程不可逆，因此熵在生命過程中始終增加，當生命結(jié)束時，人這個有機體達到了熵的最大值，不再增加。正如奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤創(chuàng)作的生物學著作《什么是生命》一書中提到的，“生命以負熵為生”，最終的平衡就是死亡，因此維持生存的前提是盡可能地遠離平衡。

在人體中，大腦是打破平衡狀態(tài)的主要驅(qū)動力，其重量僅占體重的2%，但是消耗的能量卻達到了整體消耗的20～30%，大腦“貪吃”葡萄糖的習慣使其成為全身耗能最大的器官。那么，這么多的能量最終都去了哪里呢？

大腦平衡被打破

利用功能性核磁共振成像（fMRI）技術(shù)，研究人員可以觀測到大腦對應不同認知功能的區(qū)域消耗的氧氣量，從而計算出大腦不同時間、不同位置的能量消耗情況。

人類的大腦實在是非常精妙，復雜的認知活動需要多個腦區(qū)之間協(xié)同合作，在這個過程中，我們需要將大腦看成一個復雜系統(tǒng)，對它進行全局性的研究。

當大腦處于休息狀態(tài)時，各個腦區(qū)處于不同狀態(tài)且不斷轉(zhuǎn)換，但各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是隨機、可逆的。我們認為這是一種“細致平衡（detailed balance）”狀態(tài)。

而當大腦處于思考狀態(tài)時，各個腦區(qū)在不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換存在方向性，這被稱為“細致平衡破缺（broken detailed balance）”。也就是說，在思考的過程中，神經(jīng)活動的細致平衡被打破了，這時表示混亂程度的熵也增加了，協(xié)調(diào)的意識活動從此產(chǎn)生。

熱力學第二定律示意圖

思考越高級

熵產(chǎn)生得越多

研究人員發(fā)現(xiàn)，各種類型的認知活動會呈現(xiàn)出不同程度的細致平衡破缺，說明這一現(xiàn)象在大腦功能中發(fā)揮著普遍且基礎(chǔ)的作用。

在體力勞動的過程中，運動響應的頻率越高，大腦活動產(chǎn)生的熵越多；而在腦力勞動的過程中，認知努力越多越頻繁，大腦活動產(chǎn)生的熵也越多。

在情緒處理、工作記憶、社會推理、語言處理、關(guān)系匹配、風險決策、運動執(zhí)行等7類呈現(xiàn)了不同認知過程的大腦活動任務(wù)中，運動執(zhí)行和風險決策對應的熵產(chǎn)生最明顯，而語言處理、情緒處理等活動中的熵產(chǎn)生較少。也就是說，進行越高級、越復雜的認知活動，產(chǎn)生的熵越多，大腦的狀態(tài)越遠離細致平衡。

知識拓展? “貪吃”的大腦

這時你或許會覺得，是啊，大腦每天要思考那么多事情、學習那么多知識、做出那么多決定，肯定會有很多消耗呀。而你大概沒有想到，這20%其實是大腦靜息狀態(tài)的耗能——即使什么都不想，神經(jīng)元（神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位）在休息時也會消耗如此多的能量，又被稱作大腦的“暗能量”。若是再進行一番“深思熟慮”，那消耗的能量還要再多5～10%。

童年時期的大腦甚至更加“貪吃”，對氧的需求量較成年人更大。研究顯示，五六歲兒童的大腦消耗的能量可以占到全身的50～60%。

此外，即便大腦處于極度不活躍的狀態(tài)（例如昏迷），其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半，與其他器官相比仍是高耗能的。

知識拓展? 熱力學三大定律

神經(jīng)元結(jié)構(gòu)示意圖

熱力學第一定律，指的是物體內(nèi)能的增加等于物體吸收的熱量和對物體所作的功的總和。其本質(zhì)與能量守恒定律等同，即能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而能量的總量不變。

熱力學第二定律，有幾種常用的表述方式。德國物理學家克勞修斯將其表述為：熱量不能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。英國物理學家威廉·湯姆遜（開爾文勛爵）和德國物理學家馬克斯·普朗克將其表述為：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。熵增加原理表述為：孤立系統(tǒng)的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。

挖掘大腦的潛能

細致平衡破缺不僅出現(xiàn)在人類大腦神經(jīng)活動中，還普遍存在于自然界各種復雜系統(tǒng)中，對于生態(tài)學中種群規(guī)模的變化、信息或疾病在人群中的傳播等也同樣有著應用的空間。

思考級別與熵產(chǎn)生關(guān)系示意圖

熱傳遞和熱力學第一定律示意圖

研究表明，學習效率受到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總熵的限制，神經(jīng)元學習越慢，產(chǎn)生的熱量和熵越少，學習效率越高。而根據(jù)赫布理論（描述了突觸可塑性的基本原理），對神經(jīng)元的重復刺激使得神經(jīng)元之間的突觸強度增加，細胞在某些模式下激活得更好，由此產(chǎn)生的想法會在我們的大腦中更加強化。

這對于我們而言意味著什么呢？利用這一點可以讓我們在未來學得更好或更聰明嗎？結(jié)合這一科學與自己用腦學習時的情況想一想，觀察一下，文章中說的與自己的情況是不是一樣？或許我們現(xiàn)在就能夠從中獲得挖掘自己的大腦潛能的啟發(fā)和線索：學習最好的方法就是不斷地重復，隨著慢慢雕琢、反復練習的過程強化，“欲速則不達”的道理在這里也有了很好的體現(xiàn)，“慢工出細活”反而指向?qū)W習效率更高的結(jié)果。

想要真正解鎖大腦蘊藏的玄機還有很長的路要走，就現(xiàn)階段人類對自身大腦的研究和認識并沒有給出明確的解決答案，但是給出了新的思路和視角：我們大腦的活動是由熵控制的，在神經(jīng)元層面上，學習過程與神秘而迷人的宇宙一樣，最終也要受到熱力學定律的限制。