大脑中的热力学.docx

大脑与熵

为什么热量总是从较热的物体传递到较冷的物体？为什么凋落的树叶不会重回枝头，枯萎的花朵不会重新绽放？

自然界中宏观事物的发展过程都有一个优先的方向，遵循的规律便是热力学第二定律，也称“熵（shāng）增加原理”，它指的是在一个孤立系统里，如果没有外力做功，其无序的程度（即熵）会不断增大。

人的生命也如此，从物理层面的运动到精神层面的思考，都会消耗能量并产生熵，打破原有的平衡。我们的大脑也是如此，当我们思考时，大脑会消耗能量，产生熵。

热力学第二定律，有几种常用的表述方式。德国物理学家克劳修斯将其表述为：热量不能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。英国物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）和德国物理学家马克斯·普朗克将其表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。熵增加原理表述为：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。

知识链接用生活中的例子帮你理解“熵”

整洁的桌面，如果我们不随时整理、清洁，使用一段时间后，会变得杂乱无章。桌面的混乱程度，就是熵。若我们一直不整理（即没有外力做功），桌面就会越来越乱（即熵会不断增大）。

再比如，我们买来的新电脑，运行速度通常会很快，但是如果我们长期不清理垃圾文件，它就会变得越来越卡顿，也就是熵在不断增大。

大脑中的热力学

人类的大脑是世界上最复杂且最为发达的器官，时至今日研究人员都未能解开大脑的全部秘密。大脑究竟是怎样消耗能量的？被消耗的能量最终都去了哪里呢？

大脑与熵

为什么热量总是从较热的物体传递到较冷的物体？为什么凋落的树叶不会重回枝头，枯萎的花朵不会重新绽放？

自然界中宏观事物的发展过程都有一个优先的方向，遵循的规律便是热力学第二定律，也称“熵（shāng）增加原理”，它指的是在一个孤立系统里，如果没有外力做功，其无序的程度（即熵）会不断增大。

人的生命也如此，从物理层面的运动到精神层面的思考，都会消耗能量并产生熵，打破原有的平衡。我们的大脑也是如此，当我们思考时，大脑会消耗能量，产生熵。

热力学第二定律，有几种常用的表述方式。德国物理学家克劳修斯将其表述为：热量不能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。英国物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）和德国物理学家马克斯·普朗克将其表述为：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。熵增加原理表述为：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。

知识链接用生活中的例子帮你理解“熵”

整洁的桌面，如果我们不随时整理、清洁，使用一段时间后，会变得杂乱无章。桌面的混乱程度，就是熵。若我们一直不整理（即没有外力做功），桌面就会越来越乱（即熵会不断增大）。

再比如，我们买来的新电脑，运行速度通常会很快，但是如果我们长期不清理垃圾文件，它就会变得越来越卡顿，也就是熵在不断增大。

热力学第二定律示意图

思考越高级熵越多

人类的大脑每天需要接收、记忆各种信息，学习、理解各种知识，分类、处理各样事务。这意味着大脑的熵在不断增加，若不及时优化、排序，大脑就会越来越无序。

研究人员利用功能性核磁共振成像（fMRI）技术，观测到大脑不同认知功能的区域（如右图所示）消耗的氧气量，从而计算出大脑不同时间、不同位置的能量消耗情况，并通过模型，计算出其产生的熵。

研究发现，当大脑处于休息状态时，各个脑区处于不同状态且不断转换，但各个状态之间的转换是随机、可逆的。我们认为这是一种“细致平衡（detailedbalance）”状态。而当大脑处于思考状态时，各个脑区在不同状态间的转换存在方向性，这被称为“细致平衡破缺（brokendetailedbalance）”。也就是说，

在思考的过程中，神经活动的“细致平衡”被打破了，这时表示混乱程度的熵也增加了。

大脑分区示意图，复杂的认知活动需要多个脑区之间协同合

知识拓展

“贪吃”的大脑

在人体中，大脑的重量仅占体重的2%，但是消耗的能量却达到了整体消耗的20%～30%，大脑“贪吃”葡萄糖的习惯使其成为全身耗能最大的器官。

你或许会觉得，大脑每天要思考那么多事情、学习那么多知识、做出那么多决定，肯定会有很多消耗。而你大概没有想到，这20%其实是大脑静息状态的耗能——即使什么都不想，神经元（如上图所示，它是神经系统最基本的结构和功能单位）在休息时也会消耗如此多的能量，又被称作大脑的“暗能量”。若是再进行一番“深思熟虑”，那消耗的能量还要再多5%～10%。

童年时期的大脑甚至更加“贪吃”，对氧的需求量较成年人更大。研究显示，五六岁儿童的大脑消耗的能量可以占到全身的50～60%。

此外，即便大脑处于极度不活跃的状态（例如昏迷），其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半，与其他器官相比仍是高耗能的。

研究人员发现，在情绪处理、工