物理 ↔ 生命 ↔ 远离平衡态
宇宙本该一路下坡，滑向无序。可是一粒种子长成一棵树，一个细胞造出精巧的分子机器，一团细胞质自己拼成了胚胎。生命看上去一直在违反热力学第二定律。弄清它为什么不是，就知道有序究竟从哪里来。
怎么读。四个阶段，按顺序来。每一段先摆出一个真问题，再搭出背后的模型，让各方观点交锋，然后把你带进下一段。第 2 阶段有一对盒子可以自己动手：一个封死，一个有能量穿过。看清有序是在哪里付的账。
生物体「以负熵为食」——它靠不断从环境中汲取有序来维持生命。 ——埃尔温·薛定谔，《生命是什么》，1944
写出波动方程的那位物理学家，在战时的一系列讲座里问了一个生物学家的问题：第二定律要求万物最终都消融在平衡态里，生命体凭什么不消融？他的答案，负熵，既是一个他自己造的词，也是一次挑衅。他说，生命靠从周围环境里吸走有序来活下去。同一本书里他还预言，遗传信息必定存放在一种「非周期性晶体」里，也就是一种靠不规则序列携带密码的分子。比沃森和克里克早九年，他已经勾勒出了 DNA 要来充当的角色。
热力学第二定律说，一个孤立系统的熵——也就是它的无序程度——只增不减。放着不管，热咖啡会凉，气体会充满容器，结构会抹平成一片均匀。生命偏偏反其道而行之：生物体明显是有序的，而且在生长、自我修复、繁殖的过程中变得更有序。一个受精卵分裂成万亿个细胞的身体，每一个都是折叠蛋白质与交织膜系统搭起来的一座精密建筑。
宇宙的总无序被规定了只能往上走，嵌在里面的一小块地方，怎么能稳稳地把自己变得更有序？要么生命是第二定律的真正例外，要么这条定律被读错了。
直觉上的读法
「石头服从热力学，生物体不服从。活物质里一定另有东西在起作用——某种活力，某种『生命冲动』，某种死物理给不出的组织化倾向。生命是另一个范畴。」
薛定谔的说法
「不需要什么活力。生命体是一个物理系统，服从和万物一样的热力学——只是一类特殊的系统，靠和周围环境做熵的交易来维持自身的有序。」
走到这里
这个悖论只有在你漏掉第二定律表述里的一个词时才成立：孤立。定律禁止的，是有序在一个与外界完全隔绝的系统里自发出现。生物体是一条通道，能量和物质从中涌过。把这个词放回去，矛盾就开始化解。
于是问题变得更尖锐：门开着的时候，一个系统要保持有序，究竟得付出什么？
第二定律禁止的对象是孤立系统——既不与外界交换能量、也不交换物质的那一种。生物体是开放系统，能量和物质持续地从中流过。你是一条通道。
生命把体内的熵压得很低，办法是体内的化学反应每产生一份熵，就至少向周围排出一份。你摄入低熵的东西——化学上有序的食物，植物那边则是阳光里的低熵光子——再倾倒出高熵的东西：废物，尤其是热。生物体加上环境的总熵照样在涨，正如定律所要求的。你身上这一小块有序，是拿你体外造出的更大一片无序买来的。薛定谔的「负熵」，说的就是这笔交易。
这本账可以一路算到整个生物圈。地球接收少量从太阳倾泻而下的高能低熵光子，再把多得多的低能高熵红外光子辐射回冰冷的太空。炽热的太阳与冰冷的天空之间的这道温差，就是整个生命世界能花的全部预算。
算一算：日地之间的这台熵机
阳光是从太阳 ≈5800 K 的灼热表面辐射出来的可见光子。地球把同样多的能量，以红外光子的形式，在低得多的 ≈255 K 平均辐射温度上再发射出去。一个物体辐射出来的光子，平均能量与这个物体的温度成正比，于是能量守恒逼出了一笔数量上的交易：地球每吸收一个高能光子，就得辐射出大约 5800 / 255 ≈ 23 个低能光子。
同样的总能量分摊到更多光子上，排列方式就多得多，出去的熵也就远高于进来的熵。这笔向外排出的熵，就是驱动整个生物圈的那点热力学「回旋余地」。光合作用、生长、每一条食物链上的每一环，靠的都是「进来一个热光子、出去二十三个冷光子」之间的这个差额。
开放 vs 孤立 · 有序从哪里来
两个一模一样的盒子，起始时有同样一道整齐的温度梯度，底下热，上面冷。左边那个是封死的。右边那个有能量穿过。看它们各自变成什么样。
孤立盒衰减中
局部熵为最大值的 0%
开放盒供能中
局部熵为最大值的 0%
通着能量时，开放盒把自己的局部熵压得很低，但它靠的是把熵倒进周围环境，所以总熵（整个宇宙的）涨得比封死的盒子还快。
封死的盒子就是一个没人打理的系统：梯度一路塌下去，相邻单元彼此松弛，直到整列单元成了一片温吞吞、毫无差别的东西。这就是热力学平衡态，放到宇宙尺度上，物理学家称之为热寂。开放盒跑的是一模一样的扩散，梯度却立得很稳，因为底部单元被钉在热的一端（能量进来），顶部单元被钉在冷的一端（热出去）。把能量流关掉，开放盒立刻塌成同样死寂的均匀。那份有序是借来的。
盒子下面的折线图把同一件事放到了时间轴上。孤立盒的熵稳稳往上爬，贴着天花板走平。开放盒的熵只要能量流还在，就一直被压得很低。用按钮切断能量，看它的曲线从标记的那一刻起往上翘，追着孤立盒奔向同一个最大值。（按暂停可以把塌陷到一半的梯度冻住细看。）
走到这里
生命利用的，是这条定律给有能量穿过的系统留下的一大片余地。定律管死的是一个孤立系统能做到什么。一个系统由一道梯度撑着，把自己维持在远离平衡态的地方，只要流还在就一直有序下去。对此定律一个字也没说。
如果穿过的流能维持有序，它能不能造出有序，在原本什么都没有的地方变出结构来？
用持续的能量流把一个系统推到远离平衡态，它能自发地把自己组织成有序的斑图。 ——据伊利亚·普里高津与伊莎贝尔·斯唐热，《从混沌到有序》，1984
第 2 阶段里，那道流只是维持着一个你亲手摆好的梯度。普里高津的主张要大胆得多：把物质推得离平衡态足够远，结构会自己冒出来，不请自来。他把这些自组织的斑图叫作耗散结构。它们之所以有序，恰恰因为它们是耗散能量的通道。
教科书上的例子是贝纳德对流：从下面轻轻加热一薄层流体，什么也不会发生，热只是往上传导。越过某个临界点，流体会突然重排成一片蜂窝般的对流胞，10²⁰ 量级的分子步调一致地把热更高效地送上去。别洛乌索夫－扎鲍京斯基反应（简称 BZ 反应）做的是时间版：一锅化学汤像时钟一样在颜色上来回振荡，结构长在时间里而不是空间里。飓风是同一套把戏放到行星尺度上，一台由「暖洋面—冷天空」这道温差驱动、整体运转的热机。
这一切靠近平衡态的那一侧底下，压着真正的机理：拉斯·昂萨格 1931 年的倒易关系（1968 年获诺贝尔奖）描述的是线性区，在那里流与驱动它们的力对称地耦合。而按这种看法，生命就是一种耗散结构。尼克·莱恩在《复杂生命的起源》里主张，生命的根本在于驾驭能量流——具体说是跨膜泵出的质子梯度，也就是所谓的化学渗透——而它最初被点燃的地方，可能是碱性热液喷口。那里，喷口流体与海水之间现成摆着一道天然梯度，等着谁来取用。
「流生有序」是一条深层原理
「对流胞、化学时钟、飓风、细胞——同一条规则把它们全都生了出来。把能量灌过维持在远离平衡态的物质，组织化就是自然的回应。生命就是这条原理更精细的一例。」
当心那道鸿沟
「一个贝纳德对流胞离一个细菌远得很，很远。自组织的斑图是真的，但它们不复制，不携带遗传，不演化。把飓风说成生命的远亲，等于用类比把最难的那部分夹带了进来。」
走到这里
把物质推得离平衡态足够远，结构就会自己出现，并且只要流还在继续，它就在。有序是耗散所呈现的形状。悬而未决的是，这个形状靠自己能爬到多高。
如果能量流把物质推向有序，它会不会把物质推向生命？
如果穿过的流把物质推向组织化，那么热力学是在主动推动物质走向生命，还是只不过允许生命出现，却从不要求它出现？
2013 年，物理学家杰里米·英格兰提出了耗散驱动的适应：处在持续能量驱动下的物质，在统计意义上会随时间倾向于把自己排成更能吸收并耗散这份能量的构型。按这种读法，存在一次热力学上的轻推，一道缓坡，通向那类自组织的、吃能量的结构——生命就是其中一例。这个想法既有启发性，也有争议；数学给出的是一种倾向，而批评者在它究竟能推到多远这一点上追问得很紧。
与这记轻推相对的是偶然。生命的起源也许是一场概率低得惊人的意外，一次只发生过一回的化学级联，热力学完全容许，却半点也没有强求。按这种看法，第二定律搭好了舞台，也付了账，但一个能自我复制的分子的出现是运气；尽管物理在到处都允许生命，宇宙仍可能几乎空无一物。
悬而未决的问题是：热力学让生命变得大概率，还是只让它变得有可能。英格兰式的耗散驱动的适应认为，受能量驱动的系统在统计上会朝类生命的组织化漂移。相反的看法则认为，热力学允许生命而不促成生命，生命本身是一次偶然。
耗散驱动的适应背后的数学确实有启发性，但仍未获证明；批评者认为，它离证明物质「想要」活起来还差得很远——一种耗散能量的统计倾向，和一种奔向遗传、代谢与复制的驱动力，不是一回事。这个问题是敞开的。
结论
生命是顺着第二定律走的。有序，就是能量流作用在远离平衡态的物质上所造成的结果；而一个生物体，就是能量流里盘旋不散的一个漩涡，靠加快宇宙整体走向无序来维持自身的结构。种子长成树，是付给第二定律的一笔账，用排出去的热来付。至于这让生命在宇宙中算常见，还是稀少到近乎没有，才是真正还没有定论的部分。
简短的回答
第二定律禁止的是有序在孤立系统里出现。能量和物质从生物体中涌过。它把自己的熵压得很低，靠的是向周围倾倒的熵，至少和体内化学反应产生的熵一样多，以排出去的热为代价买下这份有序。有序不过是能量流作用在远离平衡态的物质上的结果——从一个贝纳德对流胞，到一场飓风，到一个活细胞。一棵正在生长的树，加快了宇宙滑向无序的速度。唯一还在争的，是物理让生命变得大概率，还是仅仅允许它出现。
E. 薛定谔，《生命是什么》 (1944) —— 最初的那次发问：生命「以负熵为食」，遗传则搭在一种「非周期性晶体」上。篇幅很短，问题从这里开始。
L. 昂萨格，倒易关系 (1931) —— 支配近平衡线性区中耦合流的对称关系；非平衡态热力学底下的形式框架。
I. 普里高津 & I. 斯唐热，《从混沌到有序》 (1984) —— 耗散结构：持续的能量流如何让远离平衡态的物质自组织。进入普里高津研究纲领的通俗入口。
N. 莱恩，《复杂生命的起源》 (2015) —— 作为被驾驭的能量流的生命：质子梯度、化学渗透，以及一种可能起源于碱性热液喷口的说法。
J. 英格兰，《自我复制的统计物理学》 (2013) —— 耗散驱动的适应：一个有争议的主张，认为能量驱动在统计上把物质轻推向类生命的组织化。