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1700263941 至于那个不可避免的最小值,兰道尔也明确地计算出来了,这被我们称为“兰道尔极限”:
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1700263943 1bit =kBTln2
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1700263945 你完全不用在意这个公式里的任何具体符号[12],只需知道其中唯一的变量就是“T”——温度,而与任何计算机构型、任何计算机原理、任何计算机工艺都没有关系。比如DNA聚合酶催化的反应不可逆,每连接一个单体就要耗散一些能量,就同样受这个极限支配。只是DNA聚合酶耗散的能量要比兰道尔极限高得多,它们连接一个DNA单体耗散的能量是兰道尔极限的几十倍。至于人类制造的电子计算机,兰道尔极限就更加可以忽略不计了,哪怕是导线电阻产生的热量都远远超过兰道尔极限,它们每字节的计算可以耗散几百万甚至几千万倍的兰道尔极限。
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1700263947 也就是说,兰道尔极限只是规定了能量耗散的最小值,但在现实中,计算元件的尺寸越大,耗散的能量也总是越大。我们直到2012年才用实验证明了兰道尔极限是正确的,那需要用激光和磁场约束单个原子的不可逆变化。XVIII
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1700263949 但技术进步从来不会停滞。根据电子计算机硬件发展中的“库米定律”,从20世纪40年代至今,单位能量可以实现的计算量每过1.57年就增加1倍,那么到2050年前后,计算机的能量耗散就会达到兰道尔极限,那就意味着计算机的能量利用效率再也无法提高了。
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1700263951 对此,我们唯一的希望就是研制出某种新型计算机,它的每一个计算元件都是可逆的,由此从根源上突破兰道尔极限。
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1700263953 于是正如第7节已经讲述的,在1981年到1982年,作为对可能性的理论探索,台球构型和布朗运动构型被计算机科学的先驱们提了出来,我们也因此有了疯台球的比喻。至于这一切理论探索的终极目标,那就是传说中的“量子计算机”,它从原理上完全可逆,当然就不受兰道尔极限的约束,而能够以极低的能耗支持惊人的计算量了。
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1700263955 先不管量子计算机的研究现状怎么样,是不是说,如果我们有朝一日真的制成了量子计算机,突破了兰道尔极限,就能召唤一个真正的麦克斯韦妖,推翻热力学第二定律呢?
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1700263957 当然不是了!
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1700263959 查尔斯·班尼特是兰道尔在IBM的晚辈与同事,他因为关注可逆计算而成为量子计算研究的专家,早在1982年,在他比较台球构型和布朗运动构型的论文里,他就一箭射中了麦克斯韦妖的“致命弱点”。
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1700263961 麦克斯韦妖想要推翻热力学第二定律,造一个永动机出来,就必然持续处理无穷多的数据。如果它不删除这些数据,那么每一次计算的结果就都要存储在体内,那么迟早,它的每一个计算单元都会被数据占满,就再也不能计算了;而如果它删除了任何数据,就意味着那一次计算再也无法回溯,变得不再可逆,而必须耗散出兰道尔极限标定的能量了。
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1700263966 图增—30 库米定律的拟合曲线。库米定律很像摩尔定律,但后者指的是计算性能,不考虑能效。
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1700263968 也就是说,在无限的计算量面前,可逆计算机必须把一部分计算变成不可逆的,主动耗散一部分能量,才能持续不断地计算下去。所以在现实的世界里,绝对的可逆计算机就像绝对零度,我们只能不断逼近它,却不能最终抵达它[13],所以即便有了量子计算机,麦克斯韦妖也不可能推翻热力学第二定律,永动机不能实现,生命也不能不摄取养分。
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1700263970 终于,我们登上了孤山,得到了下半章一直在寻找的结论:无论可逆还是不可逆,持续不断的计算都会不可避免地耗散能量。
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1700263972 DNA聚合酶已经明白无误地适用于不可逆的情形,RNA聚合酶则毫无疑问地印证了可逆的情形:RNA聚合酶虽然能催化可逆的反应,但它只有回退的时候才能实现这种可逆,如果要避免能量耗散而在前进和后退之间不断徘徊,那它就会停在模板链的某处,催化反应也就停止了。
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1700263974 但等待转录的DNA无穷无尽,需要合成的蛋白质也无穷无尽,所以RNA聚合酶必须不断向右前进,不再回退到左边去。这样一来,聚合左边那些RNA消耗的能量也就真的耗散了。
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1700263976 当然,这个结论也不只适用于两种聚合酶而已,我们在上半章里看到的一切酶促反应,一切定向运输,一切生命活动,也都是计算机,也都适用这个结论。生命要持存,就要持续不断地计算自己,就会不可避免地耗散能量,就必须“汲取负熵”。
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1700263978 就这样,我们回到了这则增章的开头,得到了后半个结论:
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1700263980 生命作为一个控制系统,要在保证精度的同时持续运行,就必然向周围耗散能量,给环境带来熵增。也正是这份熵增的贡献,才让这个控制系统既维持了自身的低熵状态,又不会违背热力学第二定律。
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1700263982 最后,作为整本书的增章,我们应该注意到组成生命的各种物质并没有多么稳定,随时都可能与环境中的物质反应,甚至自发地分解,所以生命不但要持续不断地计算自己,还要尽可能快地计算自己,对负熵的需求也就源源不断与日俱增。
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1700263984 这就是为什么在正文里,我们要在生命起源问题上把“熵增潜力”看得如此重要,因为这是让计算迅速而准确的前提,那些不能提供这种熵增潜力的生命起源假说,或许能够解释许多有机物的起源,却无法解释这些有机物是如何组装起来,发展出复杂的结构,在进一步的建设中遇到重重阻碍的。
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1700263986 [1]对此,应该留意的是,现实世界里并不存在绝对的“规则明确的变化”,任何变化都是主反应和副反应的综合结果,比如镜面反射必然有一部分光子被镜子吸收,置换反应必然有一部分铁单质会置换溶液里的氢离子而不是铜离子。这也就是为什么我们会有数学:数学,就是排除了一切副反应的形式化的变化。
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1700263988 [2]严格地说,这里应该说“分散”,因为溶解产生的是溶液,但生物大分子与水混合成的细胞内容物是胶体。
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