物理常數對生命有什麼用

A. 究竟如何用物理學中的「熵」去解釋生命的生和死

熵他其實是德國物理學家魯道夫在1850年的時候提出的一個概念，用熱力學第二定律來測量系統的混沌程度。所以這個定律也被稱為熵增定律，據說在自然社會中，高溫在任何時候都會自動轉化為低溫，也就是說，在一個封閉的系統中，熱平衡最終會實現，沒有溫差就無法完成任何工作，而且這個過程稱為熵增加，最終狀態為熵死亡，也稱為熱靜默，所有自發過程總是朝著熵增加的方向發展。

因為熵的概念也應用於計算機領域，信息技術領域，生物學領域等領域，幾乎每一門科學學科都已得到應用，並已成為現代科學中廣泛應用的一個基本概念，關於熵的概念，它是指孤立的熱力學系統的熵，它不會自發地減少，並且將始終增加或保持不變。

關於究竟如何用物理學中的熵去解釋生命的生和死的問題，今天就解釋到這里。

B. 怎麼用物理學中的「熵」去解釋生命的生和死

熵是熱力學中的一個統計概念，其意味著粒子系統的變化總是朝著路徑最多的狀態發展。例如，當瓶中的香水揮發成香氣時，這些芳香氣體分子傾向於跑到瓶外。因為，隨機運動的氣體分子，在瓶外的路徑遠多於留在瓶中的路徑。畢竟，瓶子的體積遠小於房間的大小。所以，熵是可能性的對數。熵增原則，就是事物的演變，總是朝著可能性大的方向發展。

於是，在自然界中的所有事物，都可以被劃分為兩大類。其一是平衡的狀態，其熵已經達到了最大值；其二是非平衡的狀態，其熵值較小。因此，第一種狀態表現為動態平衡，在宏觀上沒有變化；而第二種狀態則表現為，事物會朝著平衡的狀態演化。

對此，你會問，不平衡的狀態是如何產生的？否則的話，久而久之，不就達到平衡，成為熱寂的狀態了嗎？答案是，自然界的變化存在著質變，是有層次的，因而其變化的發展總是不平衡的。

比如，宇宙大爆炸時，其內部只有單一的最小粒子——量子，處於等離子狀態，就內部而言達到了熵的最大化。然而，宇宙是一個相對獨立的封閉系統，其內外部量子空間的能量密度（壓強）並不相同。由於宇宙的被壓縮，其處於熵減的狀態。於是，該狀態導致了宇宙的極速膨脹。此時，宇宙的膨脹速度遠大於其內部空間的傳播速度，在宇宙的內部出現了熵減的過程，隨著宇宙的膨脹會變得越來越不平衡。

這實際上就是將宇宙外部的不平衡部分地轉移到了其內部的不平衡，從而在整體上實現了熵的增大。於是，在宇宙的內部，出現了局部遠離平衡態的情況，從而產生了耗散結構，即形成了量子的封閉體系。這就是能量轉化為質量的過程。其本質，是將宇宙內部的熵減，轉化為局部的熵減即產生了物質。

因此，物質的存在違背了熵增原則，是不穩定的。當宇宙的膨脹速度小於其內部的傳播速度時，宇宙內部的量子空間就會服從熵增原則，逐漸地達到平衡。於是，作為熵減的物質開始逐步解體，由封閉的量子還原為離散的量子。這就是質量轉化為能量的過程。所以，物質是宇宙的能量緩釋器，其起到了平衡的作用，是宇宙極速膨脹的副產品。

對此，也許你會提出疑問，為什麼現在依然存在著大量的物質，而且有些物質還會進一步地生長壯大？這是因為，維持耗散結構的條件是需要不斷地補充能量，以彌補其能量的流失。對於生物而言，就是需要新陳代謝，不斷地吃食物。食物的本質是負熵，以食物的熵增來換取生物的熵減。

於是，對於生物而言，其生命的意義就在於不斷地吃負熵以維持其耗散結構的存在。而死亡則意味著該生物無法補充能量，從而導致其耗散結構解體，由質量還原為能量，其自身實現了熵的增大。

總之，根據熵增原則，事物的變化總是朝著概率最大化的平衡方向發展。生物的誕生與成長，其本身是一個熵減過程，需要由其他物質的熵增來予以補償。一旦這一補償機制被終止了，該生物就走向了死亡，從而逐漸地解體，與外部環境達到平衡的狀態。

熵，是一個有趣且意義深刻的抽象概念，很多物理學家都對它有不同的註解。

熵的概念最早源於熱力學第二定律（second law of thermodynamics），是熱量與溫度的比值（△S=△Q/T），其物理意義是對封閉體系整體混亂程度的度量。

1850年，克勞修斯(T.Clausius) 表述為：熱量不能自發地從低溫物體轉移到高溫物體。1851年，開爾文表述為：不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響。這兩種表述的完全等價的。

1854年，克勞修斯首次提出entropie，1923年，我國物理學家胡剛復根據「熱溫商之意」把entropie譯為「熵」。

有名的「熵增原理」：不可逆熱力過程中熵的微增量總是大於零。在自然過程中，一個孤立系統的總混亂度（即「熵」）不會減小，表達公式為：△ S ≥ 0。

熵看似來源於熱力學，但其本質其實體現的是統計學原理，描述得是一個封閉系統的整體混亂程度。

宇宙萬物都可以看出大小不同的系統，所以熵的普適性極強。愛因斯坦也篤信沒有人能推翻熱力學第二定律，以及延展的熵增原理。

一場統計力學革命，揭示了「熵」概念更微觀表述。

路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）創立的統計力學起源於他的氣體動理論。該理論將熱力學行為解釋為牛頓運動定律下微小粒子個體運動的總和結果。

那麼給你一定規模的微小粒子觀察量，它們會多少種組合方式？這決定於微觀粒子的排列位置、速度等微觀態，而溫度、壓力、體積這些熱力學概念則是這些微粒子特定「排列組合」的宏觀態表現。

而一種宏觀態下，可能存在大量不同的微觀態。

最核心的一點是：如果一個系統自行運行，它最終會嘗試所有可能的微觀態。所以一些有價值的微觀態永遠佔少數，大多數情況下都是混亂的無用狀態。

這一解釋也能很好的對應熱力學現象。一個系統內的熱力學現象，主要由空間內的能量分布來決定。能量分布的情況決定了這個系統的熱力學性質。當一個系統自動運行足夠長時間，系統中的粒子和能量在所有可能不同形態的呈現中，絕大多數可能的能量分布會使系統非常接近一個宏觀狀態，就是熱平衡狀態。

基於以上的理解，玻爾茲曼將熵表述為： 「熵」=體系的符合宏觀態的微觀態個數的對數×玻爾茲曼常數 ，即S=klnΩ（體系微觀態Ω是大量質點的體系經統計規律而得到的熱力學概率，玻爾茲曼常量k=1.3807x10-23J·K-1）。

總之，一種宏觀態與微觀態的對應方式，不是一對一，而是一對多。對宏觀態的一些定義越寬泛，其對應的微觀態也越多。比如「生」「死」的宏觀定義，都包含了大量微觀態數量，但總體來說，「死 」的微觀態數量遠大於「生」。

從統計學的角度來看，系統中能產生的微觀態數量越少，熵值就越小；能產生的微觀態數量越多，熵值就越大。而沒有什麼比系統的平衡狀態，可包容的微觀態數量更多的了，所以平衡態往往都是熵值最大。

一個生命體就可以看成一個系統，不過它不是封閉的，所以能從周圍環境中吸取低熵的能量，一維持生命，但當個體衰老，身體機能下降，我們會越來越難以再吸收低熵的能量，難以維持人與環境的不平衡，不平衡才有生命的存在。一旦平衡意味著死亡，意味著回歸自然。

那個虐貓的薛定諤還寫過一本大名鼎鼎的科普書《生命是什麼》。在書中，他就闡述了這樣一個觀點： 生命以負熵為食，有能力從環境中抽取序，以減少自身的混亂。

熵增原理，揭示了世界萬物都會從有序化，走向無序化，在封閉系統內必定越來越混亂，這是死亡的天命本質。

要成為生命，就必須具備抵抗這種無序化進程的能力。也就是說，世界上每一個生命體，實際上都是在與無序抗爭。逆天改命，並不只是魔童哪吒的命。在熵增的宇宙中，身而為人，就是要行逆天改命之事。

另外，「 熵增 」還給物理學界帶來了關於時間的新見解。這些見解在原來的基本物理定律中未涉及的，比如描述運動的牛頓定律還是量子力學都不關注時間走向。但脫胎於熱力學第二定律的「熵增」卻能清晰地描述了過去和未來，給宇宙插入了一把時間之箭。

熵是指代一個系統的無序程度。要用熵的觀念來解釋生與死，就是要理解生與死各自的邊界。

每個生命個體都是一個具備了一定程度的獨立性的系統，一定程度的獨立性就是指在有限指標范圍的環境條件下可以存續下去。而當環境參數超出這個有限范圍時，生命系統就會失去他的穩定狀態，相應的生命系統的存續就會受到極大威脅，直至系統崩潰，也就是生命活動的停止。

每個生命系統通常又是由若干功能系統組成，每個功能系統又是由若干功能各異的器官組成，每個器官又是由許多相似的細胞組成，每個細胞又由功能各異的細胞器組成。細胞就到是最小的生命單位了，因為在一定條件下一個細胞可以獨立存續下去。在一個生命個體中，一個兩個少數細胞的死亡、衰老或者流失都不會造成該個體的完全崩潰，直至到一定比例數量的細胞死亡、衰老或流失造成存續條件的邊界被突破就會造成該個體的生命功能無法維持進而完全崩潰。細胞的死亡、衰老或流失就是熵增，熵增是持續不斷在發生的，我們為了抵禦熵增就需要及時從環境中攝取負熵（有序能量）以補償熵增所引起的空缺。這個過程中的補償行為都無法完全使系統等同於原來的樣子，完全隨著時間的推移，補償次數增加，偏差累積，系統的協作性減弱，也即無序性增加，達到一定程度時該個體就完全無法維持也就崩潰了。

「熵」不是萬能的鑰匙

C. 生命是什麼活細胞的物理學觀

生命是什麼活細胞的物理學觀
生命是什麼？這個古老而深刻的問題自從人類有了意識就被提出了，卻直到現在還沒終極答案。物理學家當然也從來沒有放棄過思考生命，並成功地用物理原理來解釋生命，他們是最靠近上帝的人!其中最著名的莫過於薛定諤和他的《生命是什麼》。而這篇文章也是也是受此書啟發，在這里分別從熵和量子力學簡要介紹一下有關生命的問題。
一.生命與負熵
在提及生命前首先先介紹一下負熵的概念。
我們應該都聽說過S=k lnΩ這個波爾茲曼的著名公式。其中Ω是系統的一個宏觀態包含的微觀態數，它可以用來描述宏觀態的混亂度，k是波爾茲曼常數，S是熵。也就是說熵可以度量系統的無序度，當系統趨向與宏觀平衡態時，此時系統擁有的微觀態數最大，而熵也最大，由此可得出熵增原理。而負熵，顧名思義，在熵前面加上負號，用來度量系統的有序度。
與負熵最先扯上關系的應該算是著名的「麥克斯韋妖」（可以和「薛定諤的貓」齊名）
1867年，麥克斯韋曾設想過一個能觀察到所有分子速度的小精靈把守著一個容器中間隔板上小閥門，當看到右邊的高速分子來到閥門時就打開讓高速分子進入左室，當看到左邊低速分子來到閥門時也打開讓低速分子進入右室。設想閥門無摩擦，於是一個小精靈無需做功可使左室越來越熱，右室越來越冷，從而使整個容器的熵降低了。這個小精靈被人們稱為麥克斯韋妖。當時科學家對其展開了激烈的討論，因為若這個模型成立就似乎違背了熱力學第二定律（熵增原理）。後來在1929年，希拉德分析妖精若想控制開關，必須獲得信息，而為獲得信息所付出的代價就是系統熵的產生，而這額外的熵的產生抵消了整個容器的熵的減少，總的說起來，總的熵還是增加的。此時信息表徵為負熵。信息雖然可以在很低的能量代價下傳遞，但要獲得准確信息所需的能量則因為海森堡測不準原理而多得多。（在這個模型中可以看到生命的影子，而這個麥克斯韋的妖可以看成是酶）
但真正負熵概念的引進還是要追溯到薛定諤在上世紀四十年代寫的《生命是什麼》書中。
之前當時存在一種矛盾：熱力學第二定律指出自然界的所有過程運動都將最終趨向無序化，而這與生命本身的高度有序化和已經在生物界廣為接受的進化論顯然不可調和，甚至可以說是兩個 「風馬牛不相及」的極端。
為此薛定諤提出生物有機體在吃喝、呼吸時是一個攝取「負熵」的過程，而又為了不違背熵增原理，生物有機體又不斷地排放代謝終產物和散發熱，把熵排放到環境中，而排放的熵要大於攝取的負熵，所以滿足熵增原理。
而動物在利用食物時，排泄出來的是大大降解了的東西。然而還不是徹底的降解，因為植物還能利用它（當然，對植物來說，太陽光是負熵的最有力的供應者）。
需要強調的一點是散熱這個過程不是可有可無的，而是必不可少。因為這正是我們去除生理過程中不斷產生的剩餘熵的方式。因此，溫血動物的體溫較高有利於以較快的速率排除熵，因而能產生更強烈的生命過程。（現在已經知道這和酶的活性有關，酶在這個溫度效率最高）

D. 有幾個問題請大家討論------宇宙 生命

建議『問者』看看人擇原理的相關著作：

人擇宇宙學原理Anthropic Cosmological Principle（簡稱人擇原理Anthropic Principle） 概括的講是嘗試從物理學的角度解釋「為什麼我們的宇宙是這樣的」，而人擇原理的答案是，「某程度上是因為這樣的宇宙才允許類似人類的智慧物種存在，才有可能會有生物意識到有宇宙這個概念」。這條原理很復雜，但簡而言之，即謂正是人類的存在，才能解釋我們這個宇宙的種種特性，包括各個基本自然常數。因為宇宙若不是這個樣子，就不會有我們這樣的智慧生命來談論他。
人擇原理的最早起源不明，大多數可查證的資料都在上世紀，同時也被認為和意識形態有關，哲學家們似乎並不意外物理學家提出的人擇原理。1973年英國天體物理學家布蘭登·卡特（Brandon Carter）在哥白尼誕辰500周年時提出了人擇原理並將其分為兩種：弱人擇原理和強人擇原理。弱人擇原理認為：作為觀察者的我們之所以存在於這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能。而強人擇原理則認為：我們的宇宙（同時也包括那些基本的物理常數）必須允許觀察這在某一階段出現。卡特提出人擇原理後，很多人對其作了解讀和發展，其中最引人注目的是宇宙學家約翰·巴羅（John D. Barrow）和物理學家弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler）。同時，理論物理學家斯蒂芬·威廉·霍金也在《時間簡史》一書中提到了人擇原理，他把它稱作「人存原理」。人擇原理被分為三種，弱人擇原理、強人擇原理和終極人擇原理。

原理介紹
人擇宇宙學原理（簡稱人擇原理）由鮑羅和泰伯拉提出。人擇原理其中又分為弱的人擇原理和強的人擇原理。弱人擇原理認為人們生存在眾多個宇宙演化模型中一個，假如我們不是身處現在這模型，即宇宙會以不同方式演化，我們也不會在這里。而強人擇原理就更肯定宇宙一定會生出有智慧生物，不允許宇宙以其他不能夠令我們生存之選擇出現。當我們出現後，文化將會以一種有智慧的形式存在下去並傳遍宇宙，並終會達到極點和其他宇宙進行交流。多數物理學家都不大喜歡強人擇原理。
這個原理採取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利於生命演化的特殊條件，比方說，假如宇宙比現在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合於我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用「許可」來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。「人擇」是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。

理論由來
首次發表這個理論的是天文物理學家布蘭登•卡特，在1973年的記念哥白尼誕辰500周年的"宇宙理論觀測數據"會議上。他的論文中明確闡述的人擇原理，完全站在了所謂的哥白尼原理（並不是由哥白尼提出的）的反面——哥白尼原理否認了人類在宇宙中的特殊地位。（就如同哥白尼所主張的，地球並不是宇宙的中心，如今我們知道太陽是一顆位於典型銀河系的典型恆星。）卡特的論文，「大數重合與宇宙論中的人擇原理」包含了下列陳述：「雖然我們所處的位置不一定是中心，但不可避免的，在某種程度上處於特殊的地位。」 (IAUS 63 (1974) 291)。

分類
人擇原理的最早起源不明，大多數可查證的資料都在上世紀，同時也被認為和意識形態有關，哲學家們似乎並不意外物理學家提出的人擇原理。1973年英國天體物理學家布蘭登·卡特（Brandon Carter）在哥白尼誕辰500周年時提出了人擇原理並將其分為兩種：弱人擇原理和強人擇原理。弱人擇原理認為：作為觀察者的我們之所以存在於這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能。而強人擇原理則認為：我們的宇宙（同時也包括那些基本的物理常數）必須允許觀察這在某一階段出現。卡特提出人擇原理後，很多人對其作了解讀和發展，其中最引人注目的是宇宙學家約翰·巴羅（John D. Barrow）和物理學家弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler）。同時，理論物理學家斯蒂芬·威廉·霍金也在《時間簡史》一書中提到了人擇原理，他把它稱作「人存原理」。人擇原理被分為三種，弱人擇原理、強人擇原理和終極人擇原理。人們通常使用巴羅等人提出的敘述：
弱人擇原理(Weak anthropic principle (WAP))：物理學和宇宙學的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些應該存在使碳基生命得以進化的地域以及宇宙應該足夠年老以便做到這點等等條件所限定的數值。（約翰·巴羅（John D. Barrow） 和弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler），1986）
強人擇原理(Strong anthropic principle (SAP))：宇宙必須具備允許生命在其某個歷史階段得以在其中發展的那些性質。
最終人擇原理(Final anthropic principle (FAP))：包含智慧的信息處理過程一定會在宇宙中出現，而且，它一旦出現就不會滅亡。
弱人擇原理認為我們生存在眾多個宇宙演化模型中一個，假如我們不是身處現在這模型，即宇宙會以不同方式演化，我們也不會在這里。而強人擇原理就更肯定宇宙一定會生出有智慧生物，不允許宇宙以其他不能夠令我們生存之選擇出現。當我們出現後，文化將會以一種有智慧的形式存在下去並傳遍宇宙，並終會達到極點和其他宇宙進行交流。多數物理學家都不大喜歡強人擇原理。
這個原理採取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利於生命演化的特殊條件，比方說，假如宇宙比現在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合於我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用「許可」來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。「人擇」是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。

相關理論
人擇原理的支持者提出，我們之所以活在一個看似調控得如此准確，以至能孕育我們所知的生命的宇宙之中，是因為如果宇宙不是調控得如此准確，人類便不會存在，更遑論觀察宇宙。 若任何一個基本物理常數是跟現在的有足夠的差異，那麼我們所知的生命便不能存在，更不會有智慧生物去思考宇宙。有論文指出，(弱)人擇原理能解釋精細結構常數、宇宙的維數、和宇宙常數等物理常數。
需要分辨人擇原理的弱、強、最終和其他版本，因為字眼上的些微變化便會令含意產生巨大的不同。人擇原理的主要版本有:
「人擇原理」最初表達：自然定律驚人地適合生命的存在。
弱人擇原理(Weak anthropic principle (WAP)): "物理學和宇宙學的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些應該存在使碳基生命得以進化的地域以及宇宙應該足夠年老以便做到這點等等條件所限定的數值。" (約翰•D•巴羅和弗蘭克•J•蒂普勒， 1986) 韋氏字典給出了下列定義：被觀測的宇宙的環境，必須允許觀測者的存在。
強人擇原理(Strong anthropic principle (SAP)): Barrow和Tipler提出的強人擇原理的版本是「宇宙必須具備允許生命在其某個歷史階段得以在其中發展的那些性質。」
另一版本的強人擇原理僅僅是古典設計理論披上了現代的宇宙學外衣。它暗示道生命的產生是宇宙形成意圖的一部分，而自然法則和基本常數都被設定為保證我們所知的生命得以產生。("The Rejection of 帕斯卡賭注") 最終人擇原理(Final anthropic principle (FAP)): 「包含智慧的資訊處理過程一定會在宇宙中出現，而且，一旦它出現了就不會滅亡。」 (Barrow和Tipler，1986) 馬丁•加德納在對Barrow和Tipler著作的評論中嘲笑了人擇原理的這一最終版本，以完全荒謬人擇原理(Completely ridiculous anthropic principle (CRAP))為題：「生命將會掌握所有的物質和力量，不止在一個宇宙，而是在所有邏輯上可能存在的宇宙；生命將會傳播到邏輯上可能存在的所有宇宙的每一個角落，而且將會儲有所有邏輯上可能被理解的、無限的知識。」
在卡特最初的定義中，弱人擇原理僅僅涉及到確定的「宇宙學」參數，即我們在宇宙中空間和時間上的位置，而沒有牽涉到後來屬於強人擇原理的基本物理常數的值。他同樣也只是提到「觀測者」而不是「碳基生命」。不過這些模稜兩可的話卻是導致無休止的對於各種版本人擇原理誤解的原因。
智慧設計的支持者聲稱得到了強人擇原理的理論支持。一方面，多宇宙理論或稱為多選擇宇宙理論的存在是基於另一些理由，而弱人擇原理提供了一個貌似正確的理由，來解釋我們宇宙的良好秩序。假定存在可以支援智慧生命的宇宙，那麼實際上這種宇宙必定存在，而我們的宇宙無疑也是其中之一。然而，多選擇的智慧設計並不僅限於多選擇宇宙理論的假定。不過有些進化論的支持者同樣聲稱得到了人擇原理的理論支持，例如Ikeda and Jefferys (2006)就認為人擇原理是表面上支持實際上否定了智慧設計。(discussed in more detail under fine tuning).

哲學原理
巴羅和蒂普勒詳細地闡述了看起來無法相信的巧合，這些巧合使我們的宇宙具有特色，並使我們人類進化。他們認為只有人擇原理能搞清楚這大量的巧合的意義。無論是原子的能量級還是弱核力的精確力量都好像是為了適應我們的生存。宇宙中碳基生物的存在可能與一些引數參數值有關，假設這些參數值變化很少，那碳基生物就可能不存在了。盡管巴羅和蒂普勒的作品屬於理論物理學，它仍然討論了化學和地質學的多種相關話題。
在1983年，布蘭登修正了他1974年的論文，認為人擇原理在最初的形式上只是要引起天體物理學家和宇宙學家的警惕，那就是如果他們沒有考慮觀察者的生物本性所導致的呈上升趨勢的限制，天文學和宇宙學的資料翻譯工作將會出現錯誤。反過來，卡特還警告發展生物學家，當他們翻譯報告的時候也要考慮天文學和宇宙學的因素。由此，卡特總結，介於對於宇宙年齡的最好估計（當時是150億年，現在是137億年），發展鏈可能只允許一個或兩個的低可能鏈。A.Feoli和S.Rampone（"強人擇原理是否太弱" 1999)介於宇宙的大小和可能的星球數量，認為有更多的低可能鏈。有更多的低可能鏈的數量和生命的出現以及隨後的進化需要智慧設計不太相符。
觀察宇宙論和量子引力理論的最新著作使得人們對於人擇原理重新感興趣。量子引力試圖把其他的力量統一到引力上。然而，一旦有了有前途的理論，這些理論卻又會出現問題，那就是基本物理常數是不受限制的。這種觀察的誘導更多地來自於對於數量的精確估計，比如說是宇宙密度。最近對於宇宙的密度估計是0.3，同時宇宙論里從這個估測中預測了一個和這個0.3幾乎差不多的結論。
對於人擇理論有了些不一樣的選擇，大多數存在一些樂觀的理論認為萬物學說最終會被發現，這個學說聯合了宇宙中所有的力量，通過獲取所有顆粒的特性而獲得。萬物學說包括了M-理論和量子引力的多種理論，雖然所有的這些理論都被認為是演繹性的。另一種就是李•斯莫林的宇宙論的自然選擇模型，這也被認為是多重宇宙，這個理論認為如果這些宇宙和我們的宇宙有相同的性質的時候，那麼這些宇宙就會更豐富。這也能在加德納和他的"利己主義生物宇宙學假說"中見到。

有些人批評一些形式的人擇原理，他們爭論人擇原理中估計生命的化學本質是碳的化合物和液體水是一種訴諸無知。（有時候被稱為碳沙文主義或生物化學），允許碳基生物進化的物理常數的界限也預想的要少了很多限制。(Stenger 2000)。
弱人擇原理的支持者和反對者都批評他是一種贅述。它陳述的不是些容易理解的東西而是些瑣碎的真理。人擇原理的討論暗暗假設了，若我們有能力思考宇宙學，那麼一些基本的物理常數只能落在特定的區間。批評者認為這簡直贅述了一個事實，那就是「如果事情本來就是不同的，那它就是不同的」。如果這種批評是成立的，那麼弱人擇原理就理所當然變得沒有意義了。因為這就意味著宇宙為了使我們能存在來思考它，它就必須要使自己變得讓我們生存。Peter Schaefer否認了這種觀點，他認為雖然弱人擇原理是講的大家都知道的道理，但卻不能推翻它，因為人們不能因為這個理論本來就是對的就駁斥這個理論。還有，很顯然，人擇原理中強調的因果關系的方向是錯誤的。人類進化是為了適應當前的宇宙、宇宙常數和所有的一切，而不是宇宙適應人類，那就是說是因為我們適應了宇宙，宇宙卻不是專門為了適應我們的。
強人擇原理的批評者認為它既不是可試驗的也不是可證偽的。FAP在最終人擇原理中被詳盡的討論了。巴羅和蒂普勒（1986）認為雖然最終人擇原理是一個站得住腳的物理學觀點，它也還是「和道德價值非常接近」。
霍金認為我們所處的宇宙並不如人擇原理的擁護者所說得這般「特別」。他認為有98%的可能，一個宇宙大爆炸會產生同我們一樣的宇宙。然而，諸如霍金所使用的這些方程式是否能得出這樣的結論，什麼樣的宇宙可被稱為是「和我們一樣」，這些問題在科學上都是重要的。 霍金的波函數（一些關於數學方程的物理意義的爭論就連作者本人薛定諤都不能理解）陳述了宇宙在與比它先出現的事物沒有聯系的情況下是如何形成的，也就是說，它是怎樣從零產生的。然而，從2004年起，這個理論就在不斷地被爭論，而且，正如霍金在1988年所寫的，「是什麼打破了這種平衡從而創造了一個宇宙去解釋它們？……為什麼宇宙要不遺餘力地去打擾現有的東西？」「從無到有」是形而上學的一個根本問題。

在2002年，尼克•博斯特羅提出：「有沒有可能把觀察選擇效應總結成簡單的表述？」他認為這是可能的。但是，許多人擇原理是非常令人疑惑的。特別是一些從卡特的重要論文中得到靈感的，雖然是不錯的，但是他們太缺乏說服力，不能作為真正的科學作品。尤其是我認為現存的一些方法不允許任何由同時代的宇宙學理論中得到的觀測結果，盡管這些理論根據經驗顯然能被而且已經被天文學家檢驗著，一種更充分的關於觀察選擇效應該如何加以考慮的政策才能夠打破這種方法上的鴻溝。
他的自我選樣假定是「你必須把自己想像成一個適合的參考組中的隨機觀察員」，在我們不知道自己在宇宙中所處的位置，甚至不知道我們是誰的前提下，他引伸了人擇原理偏見和人擇原理推論。這也許還能夠成為克服多種認知偏見的方法，這種認知偏見限制了人類天生的觀察以及運用數學了解宇宙模型的能力，這在數學認知科學中也有提到。
一名網友 Santorahxeon 將人擇原理定為自神論，他說道：『在每一個生命體都存在一個自己的世界，在每一個世界身邊的人和事只是歷史的重演，原因是在人類存有的第六靈感能預知未來，每個生命體都沿著自己的命運走，而世界上的事物卻圍著他而作出邏輯上的改變。我相信人擇原理可以解開各種自欺欺人的思想。也許人擇原理的哲學威力將會改變人類以後的生活。』並引用羅勃特•勃朗寧的名句：「God's in his heaven. All's right with the world.」指出世界的運作受決定論而改變。

巴羅原理
人們通常使用巴羅等人提出的敘述：
弱人擇原理(Weak anthropic principle (WAP))：物理學和宇宙學的所有量的觀測值，不是同等可能的；它們偏愛那些應該存在使碳基生命得以進化的地域以及宇宙應該足夠年老以便做到這點等等條件所限定的數值。（約翰·巴羅（John D. Barrow） 和弗蘭克·提普勒（Frank J. Tipler），1986）
強人擇原理(Strong anthropic principle (SAP))：宇宙必須具備允許生命在其某個歷史階段得以在其中發展的那些性質。 最終人擇原理(Final anthropic principle (FAP))：包含智慧的信息處理過程一定會在宇宙中出現，而且，它一旦出現就不會滅亡。
弱人擇原理認為我們生存在眾多個宇宙演化模型中一個，假如我們不是身處現在這模型，即宇宙會以不同方式演化，我們也不會在這里。而強人擇原理就更肯定宇宙一定會生出有智慧生物，不允許宇宙以其他不能夠令我們生存之選擇出現。當我們出現後，文化將會以一種有智慧的形式存在下去並傳遍宇宙，並終會達到極點和其他宇宙進行交流。多數物理學家都不大喜歡強人擇原理。
這個原理採取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利於生命演化的特殊條件，比方說，假如宇宙比現在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合於我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用「許可」來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。「人擇」是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。
人擇原理可以釋義作：「我們看到的宇宙之所以這個樣子，乃是因為我們的存在。」

意義
人擇原理有弱的和強的意義下的兩種版本。弱人擇原理是講，在一個大的或具有無限空間和／或時間的宇宙里，只有在空間一時間有限的一定區域里，才存在智慧生命發展的必要條件。在這些區域中，如果智慧生物觀察到他們在宇宙的位置滿足那些為他們生存所需的條件，他們不應感到驚訝。這有點像生活在富裕街坊的富人看不到任何貧窮。

弱人擇原理
應用弱人則原理的一個例子是「解釋」為何大爆炸發生於大約100億年之前——智慧生物需要那麼長時間演化。一個早期的恆星必須首先形成，這些恆星將一些原先的氫和氦轉化成像碳和氧這樣的元素，由這些元素構成我們。然後恆星作為超新星而爆發，其裂片形成其他恆星和行星，其中包括太陽系，太陽系的年齡大約是50億年，地球存在的頭10到20億年，對於任何復雜東西的發展都太熱了。餘下的30億年才用於生物進化的漫長過程，這個過程導致從最簡單的機體到能夠測量回溯到大爆炸那一瞬間的生物的形成。
很少人會對弱人擇原理的有效性提出異議。然而，有的人走得更遠並提出強人擇原理。按照這個理論，存在許多不同的宇宙或者一個單獨宇宙的許多不同的區域，每一個都有自己初始的結構，或許還有自己的一套科學定律。在這些大部分宇宙中，不具備復雜組織發展的條件；只有很少像我們的宇宙，在那裡智慧生命得以發展並質疑：「為何宇宙是我們看到的這種樣子？」這回答很簡單：如果它不是這個樣子，我們就不會在這兒！

強人擇原理
對於強人擇原理就略有不同，人們可以提出一系列理由，來反對用強人擇原理解釋所觀察到的宇宙狀態。首先，在何種意義上可以說，所有這些不同的宇宙存在？如果它們確實互相隔開，在其他宇宙發生的事件怎麼可能在我們自己的宇宙中沒有可觀測的後果？所以，我們應該用經濟學原理，將他們從理論中割除出去。另一方面，如果它們只是一個單獨宇宙的不同區域，則在每個區域里的科學定律必須一致，否則人們不能從一個區域連續地運動到另一區域。在這種情況下，不同區域之間僅有的不同只是他們的初始結構，這樣，強人擇原理及歸結為弱人擇原理。 對強人擇原理的第二個異議是，它和整個科學史的潮流背道而馳。我們現代的圖像是從托勒密和他的支持者的地心宇宙論出發，通過哥白尼和伽利略日心說發展而來的。在此圖像中，地球是一個中等大小的行星，它繞著一個尋常的螺旋星系外圈的普通恆星做公轉，而這星系本身只是在可觀察到的宇宙中萬億個星系中的一個。然而強人擇原理卻宣布，這整個龐大的構造僅僅是為我們的緣故而存在，這是令人非常難以置信的。我們太陽系肯定是我們存在的前提，人們可以將之推廣於我們的星系，使之允許早期的恆星產生重元素。但是，絲毫看不出存在任何其他星系的必要，在大尺度上也不需要宇宙在每一方向上必須如此的一致。

綜述
這一個宇宙就應是我們的宇宙，而我們就在其中經歷了進化，然後對這個宇宙顯得多麼恰好地適合於我們感到驚異。但這實在與我們毫無關系。我們發覺我們的宇宙的完美僅僅因為它是唯一的我們能在其中生存的宇宙。多半，在其他的生命（如我們所知的）不可能存在的宇宙里，別的種類的生命或別的類型的無法想像的現象也許會盛行。而且這些生命或現象中的每一種，若具有驚奇的能力的話，便會驚奇為何它們的宇宙顯得如此適合於它們。 要是有無數個宇宙的話，那麼可能有許多宇宙足夠接近完美而容許我們這種生命生存。我們的宇宙應只是它們中的一個，且它也許不是最臻於完美的。

1
《宇宙學新疆域(FRONTIERS OF UNIVERSE)》[美]艾薩克·阿西莫夫 著，取自"http://www.wiki.cn/wiki/%E4%BA%BA%E6%8B%A9&"；
2
摘自約翰·格里賓的《大宇宙網路全書》中文版；
3
《宇宙為何如此》 黃永明，《科幻世界》2008年1月號
4
《時間簡史》 斯蒂芬•威廉•霍金

E. 自然常數有什麼意義

旋渦形或螺線型是自然事物極為普遍的存在形式，比如：一縷裊裊升上藍天的炊煙，一朵碧湖中輕輕盪開的漣漪，數只緩緩攀援在籬笆上的蝸牛和無數在恬靜的夜空攜擁著旋舞的繁星……

螺線特別是對數螺線的美學意義可以用指數的形式來表達：

φkρ=αe

其中，α和k為常數，φ是極角，ρ是極徑，e是自然對數的底。為了討論方便，我們把e或由e經過一定變換和復合的形式定義為「自然律」。因此，「自然律」的核心是e，其值為2.71828……，是一個無限循環數。

數，美嗎？

1、數之美

人們很早就對數的美有深刻的認識。其中，公元前六世紀盛行於古希臘的畢達哥斯學派見解較為深刻。他們首先從數學和聲學的觀點去研究音樂節奏的和諧，發現聲音的質的差別（如長短、高低、輕重等）都是由發音體數量方面的差別決定的。例如發音體（如琴弦）長，聲音就長；振動速度快，聲音就高；振動速度慢，聲音就低。因此，音樂的基本原則在於數量關系。

畢達哥斯學派把音樂中的和諧原理推廣到建築、雕刻等其它藝術，探求什麼樣的比例才會產生美的效果，得出了一些經驗性的規范。例如，在歐洲有長久影響的「黃金律」據說是他們發現的（有人說，是蔡泌於一八五四年提出了所謂的「黃金分割律」。所謂黃金分割律「就是取一根線分為兩部分，使長的那部分的平方等於短的那部分乘全線段。」「如果某物的長與寬是按照這個比例所組成的，那麼它就比由其它比例所組成的長方形『要美』。」）。

這派學者還把數學與和諧的原則應用於天文學的研究，因而形成所謂「諸天音樂」或「宇宙和諧」的概念，認為天上諸星體在遵照一定的軌道運動中，也產生一種和諧的音樂。他們還認為，人體的機能也是和諧的，就象一個「小宇宙」。人體之所以美，是由於它各部分——頭、手、腳、五官等比例適當，動作協調；宇宙之所以美，是由於各個物質單位以及各個星體之間運行的速度、距離、周轉時間等等配合協調。這些都是數的和諧。

中國古代思想家們也有類似的觀點。道家的老子和周易《系辭傳》，都曾嘗試以數學解釋宇宙生成，後來又衍為周易象數派。《周易》中賁卦的表示樸素之美，離卦的表示華麗之美，以及所謂「極其數，遂定天下之象」，都是類似數學推理的結論。儒家的荀卿也說過：「萬物同宇宙而異體。無宜而有用為人，數也。」莊子把「小我」與「大我」一視同仁，「小年」與「大年」等量齊觀，也略同於畢達哥拉斯學派之把「小宇宙」和「大宇宙」互相印證。所謂「得之於手而應用於心，口不能言，有數存在焉與其間」。這種從數的和諧看出美的思想，深深地影響了後世的中國美學。

2、黃金律之美

黃金律歷來被染上瑰麗詭秘的色彩，被人們稱為「天然合理」的最美妙的形式比例。我們知道，黃金律不僅是構圖原則，也是自然事物的最佳狀態。中世紀義大利數學家費勃奈舍發現，許多植物葉片、花瓣以及松果殼瓣，從小到大的序列是以0.618：1的近似值排列的，這即是著名的「費勃奈舍數列」：1、2、3、5、8、13、21、34……動物身上的色彩圖案也大體符合黃金比。舞蹈教練、體操專家選擇人材制定的比列尺寸，例如肩寬和腰的比例、腰部以上與腰部以下的比列也都大體符合黃金比。

現代科學家還發現，當大腦呈現的「倍塔」腦電波的高頻與低頻之比是1：0.618的近似值(12.9赫茲與8赫茲之比)時，人的心身最具快感。甚至，當大自然的氣溫（23攝氏度）與人的體溫37攝氏度之比為0.618:1時,最適宜於人的身心健康,最使人感到舒適。另外，數學家們為工農業生產制度的優選法，所提出的配料最佳比例、組織結構的最佳比例等等，也都大體符合黃金律。

然而，這並不意味著黃金律比「自然律」更具有美學意義。我們可以證明，當對數螺線：

φkρ=αe

的等比取黃金律，即k=0.0765872，等比P1/P2=0.618時，則螺線中同一半徑線上相鄰極半徑之比都有黃金分割關系。事實上，當函數f（X）等於e的X次方時，取X為0.4812,那麼，f（X）=0.618……

因此，黃金律被「自然律」邏輯所蘊含。換言之，「自然律」囊括了黃金律。

黃金律表現了事物的相對靜止狀態，而「自然律」則表現了事物運動發展的普遍狀態。因此，從某種意義上說，黃金律是凝固的「自然律」，「自然律」是運動著的黃金律。

3、「自然律」之美

「自然律」是e 及由e經過一定變換和復合的形式。e是「自然律」的精髓，在數學上它是函數：

1（1+——）

X的X次方，當X趨近無窮時的極限。

人們在研究一些實際問題，如物體的冷卻、細胞的繁殖、放射性元素的衰變時，都要研究

1（1+——）

X的X次方，當X趨近無窮時的極限。正是這種從無限變化中獲得的有限，從兩個相反方向發展（當X趨向正無窮大的時，上式的極限等於e=2.71828……，當X趨向負無窮大時候，上式的結果也等於e=2.71828……）得來的共同形式，充分體現了宇宙的形成、發展及衰亡的最本質的東西。

現代宇宙學表明，宇宙起源於「大爆炸」，而且目前還在膨脹，這種描述與十九世紀後半葉的兩個偉大發現之一的熵定律，即熱力學第二定律相吻合。熵定律指出，物質的演化總是朝著消滅信息、瓦解秩序的方向，逐漸由復雜到簡單、由高級到低級不斷退化的過程。退化的極限就是無序的平衡，即熵最大的狀態，一種無為的死寂狀態。這過程看起來像什麼？只要我們看看天體照相中的旋渦星系的照片即不難理解。如果我們一定要找到亞里士多德所說的那種動力因，那麼，可以把宇宙看成是由各個預先上緊的發條組織，或者乾脆把整個宇宙看成是一個巨大的發條，歷史不過是這種發條不斷爭取自由而放出能量的過程。

生命體的進化卻與之有相反的特點，它與熱力學第二定律描述的熵趨於極大不同，它使生命物質能避免趨向與環境衰退。任何生命都是耗散結構系統，它之所以能免於趨近最大的熵的死亡狀態，就是因為生命體能通過吃、喝、呼吸等新陳代謝的過程從環境中不斷吸取負熵。新陳代謝中本質的東西，乃是使有機體成功的消除了當它自身活著的時候不得不產生的全部熵。

「自然律」一方面體現了自然系統朝著一片混亂方向不斷瓦解的崩潰過程（如元素的衰變），另一方面又顯示了生命系統只有通過一種有序化過程才能維持自身穩定和促進自身的發展（如細胞繁殖）的本質。正是具有這種把有序和無序、生機與死寂寓於同一形式的特點，「自然律」才在美學上有重要價值。

如果荒僻不毛、浩瀚無際的大漠是「自然律」無序死寂的熵增狀態，那麼廣闊無垠、生機盎然的草原是「自然律」有序而欣欣向榮的動態穩定結構。因此，大漠使人感到肅穆、蒼茫，令人沉思，讓人回想起生命歷程的種種困頓和坎坷；而草原則使人興奮、雀躍，讓人感到生命的歡樂和幸福。

e=2.71828……是「自然律」的一種量的表達。「自然律」的形象表達是螺線。螺線的數學表達式通常有下面五種：（1）對數螺線；（2）阿基米德螺線；（3）連鎖螺線；（4）雙曲螺線；（5）迴旋螺線。對數螺線在自然界中最為普遍存在，其它螺線也與對數螺線有一定的關系，不過目前我們仍未找到螺線的通式。對數螺線是1638年經笛卡爾引進的，後來瑞士數學家雅各·伯努利曾詳細研究過它，發現對數螺線的漸屈線和漸伸線仍是對數螺線，極點在對數螺線各點的切線仍是對數螺線，等等。伯努利對這些有趣的性質驚嘆不止，竟留下遺囑要將對數螺線畫在自己的墓碑上。

英國著名畫家和藝術理論家荷迦茲深深感到：旋渦形或螺線形逐漸縮小到它們的中心，都是美的形狀。事實上，我們也很容易在古今的藝術大師的作品中找到螺線。為什麼我們的感覺、我們的「精神的」眼睛經常能夠本能地和直觀地從這樣一種螺線的形式中得到滿足呢？這難道不意味著我們的精神，我們的「內在」世界同外在世界之間有一種比歷史更原始的同構對應關系嗎？

我們知道，作為生命現象的基礎物質蛋白質，在生命物體內參與著生命過程的整個工作，它的功能所以這樣復雜高效和奧秘無窮，是同其結構緊密相關的。化學家們發現蛋白質的多鈦鏈主要是螺旋狀的，決定遺傳的物質——核酸結構也是螺螺狀的。

古希臘人有一種稱為風鳴琴的樂器，當它的琴弦在風中振動時，能產生優美悅耳的音調。這種音調就是所謂的「渦流尾跡效應」。讓人深思的是，人類經過漫長歲月進化而成的聽覺器官的內耳結構也具渦旋狀。這是為便於欣賞古希臘人的風鳴琴嗎？還有我們的指紋、發旋等等，這種審美主體的生理結構與外在世界的同構對應，也就是「內在」與「外在」和諧的自然基礎。

有人說數學美是「一」的光輝，它具有盡可能多的變換群作用下的不變性，也即是擁有自然普通規律的表現，是「多」與「一」的統一，那麼「自然律」也同樣閃爍著「一」的光輝。誰能說清e=2.71828……給數學家帶來多少方便和成功？人們贊揚直線的剛勁、明朗和坦率，欣賞曲線的優美、變化與含蓄，殊不知任何直線和曲線都可以從螺線中取出足夠的部分來組成。有人說美是主體和客體的同一，是內在精神世界同外在物質世界的統一，那麼「自然律」也同樣有這種統一。人類的認識是按否定之否定規律發展的，社會、自然的歷史也遵循著這種辯證發展規律，是什麼給予這種形式以生動形象的表達呢？螺線！

有人說美在於事物的節奏，「自然律」也具有這種節奏；有人說美是動態的平衡、變化中的永恆，那麼「自然律」也同樣是動態的平衡、變化中的永恆；有人說美在於事物的力動結構，那麼「自然律」也同樣具有這種結構——如表的游絲、機械中的彈簧等等。

「自然律」是形式因與動力因的統一，是事物的形象顯現，也是具象和抽象的共同表達。有限的生命植根於無限的自然之中，生命的脈搏無不按照宇宙的旋律自覺地調整著運動和節奏……有機的和無機的，內在的和外在的，社會的和自然的，一切都合而為一。這就是「自然律」揭示的全部美學奧秘嗎？不！「自然律」永遠具有不能窮盡的美學內涵，因為它象徵著廣袤深邃的大自然。正因為如此，它才吸引並且值的人們進行不懈的探索，從而顯示人類不斷進化的本質力量。（原載《科學之春》雜志1984年第4期，原題為：《自然律——美學家和藝術家的瑰寶》）

F. 生命是什麼

生命是什麼？這個古老而深刻的問題自從人類有了意識就被提出了，卻直到現在還沒終極答案。物理學家當然也從來沒有放棄過思考生命，並成功地用物理原理來解釋生命，他們是最靠近上帝的人!其中最著名的莫過於薛定諤和他的《生命是什麼》。而這篇文章也是也是受此書啟發，在這里分別從熵和量子力學簡要介紹一下有關生命的問題。
一.生命與負熵
在提及生命前首先先介紹一下負熵的概念。
我們應該都聽說過S=k lnΩ這個波爾茲曼的著名公式。其中Ω是系統的一個宏觀態包含的微觀態數，它可以用來描述宏觀態的混亂度，k是波爾茲曼常數，S是熵。也就是說熵可以度量系統的無序度，當系統趨向與宏觀平衡態時，此時系統擁有的微觀態數最大，而熵也最大，由此可得出熵增原理。而負熵，顧名思義，在熵前面加上負號，用來度量系統的有序度。
與負熵最先扯上關系的應該算是著名的「麥克斯韋妖」（可以和「薛定諤的貓」齊名）
1867年，麥克斯韋曾設想過一個能觀察到所有分子速度的小精靈把守著一個容器中間隔板上小閥門，當看到右邊的高速分子來到閥門時就打開讓高速分子進入左室，當看到左邊低速分子來到閥門時也打開讓低速分子進入右室。設想閥門無摩擦，於是一個小精靈無需做功可使左室越來越熱，右室越來越冷，從而使整個容器的熵降低了。這個小精靈被人們稱為麥克斯韋妖。當時科學家對其展開了激烈的討論，因為若這個模型成立就似乎違背了熱力學第二定律（熵增原理）。後來在1929年，希拉德分析妖精若想控制開關，必須獲得信息，而為獲得信息所付出的代價就是系統熵的產生，而這額外的熵的產生抵消了整個容器的熵的減少，總的說起來，總的熵還是增加的。此時信息表徵為負熵。信息雖然可以在很低的能量代價下傳遞，但要獲得准確信息所需的能量則因為海森堡測不準原理而多得多。（在這個模型中可以看到生命的影子，而這個麥克斯韋的妖可以看成是酶）
但真正負熵概念的引進還是要追溯到薛定諤在上世紀四十年代寫的《生命是什麼》書中。
之前當時存在一種矛盾：熱力學第二定律指出自然界的所有過程運動都將最終趨向無序化，而這與生命本身的高度有序化和已經在生物界廣為接受的進化論顯然不可調和，甚至可以說是兩個 「風馬牛不相及」的極端。
為此薛定諤提出生物有機體在吃喝、呼吸時是一個攝取「負熵」的過程，而又為了不違背熵增原理，生物有機體又不斷地排放代謝終產物和散發熱，把熵排放到環境中，而排放的熵要大於攝取的負熵，所以滿足熵增原理。
而動物在利用食物時，排泄出來的是大大降解了的東西。然而還不是徹底的降解，因為植物還能利用它（當然，對植物來說，太陽光是負熵的最有力的供應者）。
需要強調的一點是散熱這個過程不是可有可無的，而是必不可少。因為這正是我們去除生理過程中不斷產生的剩餘熵的方式。因此，溫血動物的體溫較高有利於以較快的速率排除熵，因而能產生更強烈的生命過程。（現在已經知道這和酶的活性有關，酶在這個溫度效率最高）
綜上則生命「以負熵為生」，從環境中抽取「序」來維持系統的組織。
但是他的理論還是只說明結果，卻並不能解釋過程，或者說還缺少一個動力學結構來解釋生命。
生命的進化歷程：從第一個單細胞無氧生命的誕生，到如今的生物多樣性發展；從原生生物簡單的趨避現象到現在人類高度發達的智力文明，這生命的進化歷程顯然是一個不斷走向有序的不可逆過程。但為什麼生命「以負熵為生」，從環境中抽取「序」來維持系統的組織便能推出這個過程呢？
因此之後普里高津提出耗散結構理論。普里高津在研究偏離平衡態熱力學系統時發現，當系統離開平衡態的參數達到一定閾值時，系統將會出現「行為臨界點」，在越過這種臨界點後系統將離開原來的熱力學無序分支，發生突變而進入一個全新的穩定有序狀態；若將系統推離平衡態更遠的地方，系統可能演化出更多新的穩定有序結構。然後，他就把這種結構稱為「耗散結構」。普里高津提出系統形成有序結構需要的條件：
（1） 系統必須開放
即系統必須與外界進行物質、能量交換。
（2） 遠離平衡態
開放系統在外界作用下離開平衡態，開放逐漸加大，外界對系統的影響逐漸變強，將系統逐漸從近平衡態推向遠離平衡的非線性區，只有這時，才有可能形成有序結構，否則即使開放，也無濟於事。
（3） 非線性作用
組成系統的子系統之間存在著非線性相互作用。正因為這樣，子系統形成系統時，會涌現出新的性質。
關於非線性的放大機制的解釋可以用右圖解釋。一個很小的
ΔX可以經過一級非線性放大成相對大得多的ΔY，而經過多級放大，一個很小的作用可以最終產生決定性的後果，也就是「蝴蝶效應」（南美的一隻蝴蝶煽動一下翅膀引起了美國的一場颶風）
（4） 漲落
漲落是指對系統穩定狀態的偏離，它是實際存在的一切系統的固有特徵。在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態的條件下，非線性作用對隨機的小漲落有可能迅速放大，使系統由不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態，從而形成耗散結構。
偏離平衡態的開放系統通過漲落，在越過臨界點後「自組織」成耗散結構，耗散結構由突變而涌現，其狀態是穩定的。
而地球上的生命體都是遠離平衡態的不平衡的開放系統，它們通過與外界不斷的進行物質和能量交換，經自組織而形成一系列的有序結構。可以認為這就是解釋生命過程的熱力學現象和生物的進化的熱力學理論之一。
這里存在一個「自組織」的概念。（其實耗散理論是其中一個部分）德國理論物理學家H. Haken認為，從組織的進化形式來看，可以把它分為兩類：他組織和自組織。如果一個系統靠外部指令而形成組織，就是他組織；如果不存在外部指令，系統按照相互默契的某種規則，各盡其責而又協調地自動地形成有序結構，就是自組織。從熱力學的觀點來說，「自組織」是指一個系統通過與外界交換物質、能量和信息，而不斷地降低自身的熵含量，提高其有序度的過程； 從統計力學的觀點來說，「自組織」是指一個系統自發地從最可幾率狀態向幾率較低狀態的方向遷移的過程； 從進化論的觀點來說，「自組織」是指一個系統在「遺傳」、「變異」和「優勝劣汰」機制的作用下，其組織結構和運行模式不斷地自我完善，從而不斷提高其對於環境的適應能力的過程。
自組織系統在自然界中不象無機物質那樣，聽憑環境因素的作用、自發地發生變化，而是按照內在機制規定的方向進行物質和能量運動的，這就是保存和發展自身。自組織系統既然具有保存和發展自身的趨向，而又生活在一個變動不居的既有有利因素、又有不利因素的環境里，因此它在生存、發展中需要關於環境的信息，藉以調整自己的行動而適應環境的變化。自組織系統就是藉助於信息的指導作用，使自身在和環境的相互作用中從無序走向有序、從低序走向高序的。
在此我們再次看到了前面在麥克斯韋妖中提到的信息的概念，也可以說負熵在這里已經上升為信息，而我們現在正處在信息時代，信息的概念已經滲透到我們的日常生活之中。而物理原理是研究理想化的物質模型，之後再發展的理論因其復雜性便隸屬於信息學，不再歸物理范疇，可卻能看到其誕生中的物理的影子。

2.生命與量子力學
這里量子力學主要和遺傳物質相聯系。
眾所周之，生命中的一個重要特徵就是遺傳變異。這個特徵決定了生命必須擁有一種的遺傳物質，它既能夠足夠穩定地精確保存其絕大部分的遺傳信息，又能在特殊的環境下產生變異來應對變化使生命特徵得以延續。
而根據傳統經典統計力學，可以推出一個有機體為了使它的內在生命以及它同外部世界的相互作用，都能為精確的定律所描述，它就必須有一個相當巨大的結構。因為傳統經典統計力學，關於物理學定律的不確定度的期望值滿足所謂的√n定律。比如若告訴你某氣體在一定的壓強和溫度下具有一定的密度，比如說一定的體積內正好有n個氣體分子，那麼你可以確信，若能在某一瞬間進行檢驗，將會發現這個說法是不準確的。偏差的量級，若n=1oo,則為10，相對誤差為10%，而n=1000 000,偏差大約為1 000，誤差為0.1%。所以物理學和物理化學的相對不準確性總是可能發生在1/√n的相對誤差范圍之內。
可有機體內許多極其小的原子團，小到不足以顯示精確的統計學定律。（比如一個基因結構包含1000或還要少個原子，用類似√n定律來算，則變異概率高達到3%這是不可能的）而它們在極有秩序和極有規律的事件中確實起著支配作用，它們控制著有機體在發育過程中獲得的、可觀察的大尺度性狀，決定了有機體發揮功能的重要特徵；在所有這些情況下，都顯示了十分確定而嚴格的生物學定律。此時統計物理學似乎很難協調地來解釋這方面事實，可以說陷入困境了，但量子理論可以提供解釋。更確切的說，遺傳機制是建立在量子論基礎上的。
量子論的最大啟示是在「大自然之書」中發現了不連續特點，並由此提出了能級的概念。而從一種不連續的狀態轉變為另一種，則稱之為「量子躍遷」。
在給定的一組原子的若干個不連續狀態中，不一定有但其中可能有是原子核彼此靠攏的最低能級，此時，原子組成了分子。需要著重指出的是分子必須具有一定的穩定性；除非外界供給給它以「泵浦」到鄰近的較高能級所需的能量差額，否則構型不會改變。因此，這種數量十分確定的能級差定量地決定了分子的穩定程度。
下面只考慮不同溫度下的分子穩定性，這是生物學問題中最感興趣的一點。假定我們的原則系統一開始處在它的最低能級狀態，物理學家把這個系統稱為絕對零度下的分子。要把它提高到相鄰的較高的狀態或能級，就需要供給一定的能量。最簡單的方式是給分子「加熱」。把它帶進一個高溫環境（「熱浴」），讓周圍的系統（原子、分子）沖擊它。考慮到熱運動的極度不規則性，不存在預感確定的、立即產生「泵浦」的、截然分明的溫度界限。更確切的說，在任何溫度下（只要不是絕對零度），都有出現「泵浦」的機會，這種機會是有大有小的，而且是隨著「熱浴」的溫度而增加。表達這種機會的最佳的方式是，指出為了發生「泵浦」必須等待的平均時間，即「期待時間」。
而「期待時間」主要取決與兩種能量之比，一種是為了「泵浦」而需要的能量差額（用W表示），另一種是描述有關溫度下的熱運動強度特性的量（稱為特徵能量kT,用T表示絕對溫度，k表示波爾茲曼常數）。可以用數學表達式表示t=τexp(W/kT),期待時間t是通過指數函數的關系依賴與比值W/kT的，τ是10^(-10)或10^(-11)秒這么小的常數（代表這個時間內系統里發生的振動周期的數量級）。由於是指數形式，比值W:KT的相當小的變化，會大大地影響期待時間。例如w是kT的30倍，期待時間可能短到1/10秒；但當w是KT的50倍時，期待時間將延長到16個月；而當w是kT的60倍是期待時間將延長到3萬年！
但在一些情況下，兩個能級之間的自由通路被堵塞了，談不上供給所需要的能量產生躍遷了；事實上，即使從比較高的狀態到比較低的狀態的通路也可能被堵塞了。
比如化學中的同分異構體，且分子愈大，同分異構體也愈多（有機化學中尤其典型）兩個同分異構體的所有的物理常數和化學常數都是明顯不同的。它們的能量也不同，代表了「不同的能級」。
而這種理論恰好可以解釋基因遺傳結構的特徵。由振動能的偶然漲落所產生的分子某個部分構型的異構變化，實際上是非常罕見的事件，這就很好地解釋了統計力學難以解釋的基因結構的穩定性。而罕見的事件又對應與一次自發突變。因此，從量子力學出發，我們解釋了關於突變的最驚人的事實。且突變是不出現中間形式的、跳躍式的變異。
再檢驗突變可能性公式：t=τexp(W/kT)（t是閾能W的突變的期待時間）可由此得出溫度上升則期待時間減少，突變可能性增加。實際的動物實驗比如果蠅實驗證明這種可能性隨溫度上升提高得很明顯(對於T+10和T的t的比值大約在1/2到1/5之間，也就是突變的可能性增加約兩倍至五倍不等的差異)
而這種理論也解釋了為什麼X射線能誘發突變，用X射線照射親代，可使後代中出現突變的百分比，也就是突變率，比很低的自然突變率增高好多倍，且突變率與射線的劑量嚴格地成正比例。因為克服閾值的能量一定是由爆炸式的過程(電離或激發過程)供給的。且X射線的電離作用或類似的過程恰好能克服閾值的能量，所以可以顯著地提高突變率。
總的來說， 量子力學存在的能級概念是DNA等遺傳物質變得相對穩定，要改變其結構須跨越一個勢壘，於是出現突變的幾率足夠小，使物種得以在繁衍中緩慢進化。
結語
的確，世界是物質的，所以物理無處不在。對於神秘的生命，物理原理肯定遠遠不僅這些，而我所說的又只是已有理論的鳳毛麟角罷了，深怕亂放闕詞，所以便以「生命中的一些物理原理」作為題了。相信物理學家在生命科學以及任何其他學科的的研究中一定能寫出最終回答「生命是什麼？」的文章，到時候用什麼標題應該都不為過了吧！

G. 這個宇宙有著完全不同的物理常數的宇宙中，是否存在著生命

我認為肯定存在著生命，畢竟茫茫宇宙當中，類似地球的行星數不勝數。不可能只有單單地球是一個例外存在著生命，或許只是人類的科技水平有限根本無法探知而已。

地球作為人類生存的搖籃，一直以來人類對地球之外的生命文明存在著好奇之心。畢竟如此龐大的宇宙當中卻只有地球存在生命，這一點很多人根本不願意去相信。畢竟在這樣龐大的宇宙當中，定然會有符合生命生存條件的行星存在著。

地球出現生命是多方面因素造成的。

之所以地球會出現生命，也是由於多方面因素造成的。首先地球和太陽的距離就是一個重要因素，可以說地球與太陽的距離不算近也不算遠。 而正是這種恰當的距離，可以使地球的生命接受到更多的太陽能量。如果距離太陽過近，很有可能會變成類似水星這樣的行星，即使有了充足的能量，但由於溫度過高生命根本無法生存。

H. 物理常數會改變嗎

人類了解宇宙演化規律的工具是物理學定律，很多物理學基本定律中都存在相應的物理學常數，比如光速、萬有引力常數、基本電荷數、普朗克常數等等，有時候我們會好奇，這些常數在我們宇宙的不同地方，或者不同時間線上是相同的嗎？

但是該研究小組發現，他們得到的精細結構常數值與其他類似研究中的值存在差異，暗示著精細結構常數可能在宇宙中不同空間是有差異的，不過目前發現的這種差異非常小，不排除是測量誤差或者其他原因導致的誤差，鑒於該團隊只測量了一個類星體的數據，所以該結論還有待進一步的研究。

I. 物理常數是指什麼

基本物理常數（fundamental constants of physics）是物理領域的一些普適常數。這些常數的准確數值，由於從理論上說與測量地點、測量時間及所用的測量儀器及材料均無關聯，因此稱為基本物理常數。

基本物理常數的發現和測量，在物理學的發展中起了很大的作用。縱觀物理學史可以看到，一些重大的物理理論常常與基本物理常數的發現或准確測定有著密切的聯系。如在經典理論或定律中的基本物理常數有：牛頓引力常數、法拉第常數、阿伏伽德羅常數等，它們與經典宏觀理論密切相關；當物理學從宏觀世界的研究步入微觀世界的探索時，仍然離不開基本物理常數。量子理論的建立開辟了微觀物理的新紀元，普朗克常數伴隨問世。隨著對原子和分子光譜的研究，出現了精細結構常數和里德伯常數。愛因斯坦相對論的出現，伴隨著一個十分重要的基本物理常數，即真空中的光速。光速不變原理是狹義相對論的兩個基本原理之一。在量子理論和相對論建立的過程中，所確立的基本物理常數的數目已遠大於原來經典物理中出現的常數。這充分說明，在微觀和近代物理學中，基本物理常數具有更加重要的作用