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为什么说万物生长靠太阳?

十万个为什么 空空 2024-4-09 21:11:04 4次浏览

关于问题为什么说万物生长靠太阳?一共有 1 位热心网友为你解答:

【1】来自网友【认知皆模型】的最佳回答:

先提一句,太阳不仅提供能量,它真正的作用是提供“负熵”。

“负熵”才是关键,能量虽然也重要,但绝不是重点。

这不是一个简单的问题,必须搬出光量子才能说清楚。也就是说,本文必须提一些量子力学的常识。

这可不是“遇事不决,量子力学”,而是真的绕不开量子力学。

能量,并不是重点

很多人都会想到“食物链”,一级一级吃下去,在最底层的通常是植物,植物有光合作用,依靠太阳存活。

整个生物圈要靠太阳维持,不过这也引出一个问题:

太阳到底提供了什么?

太阳在发光,确实给地球提供了能量,不过还有一件容易被人忽略的事情:

地球也在不断散热!

太阳给地球的能量,和地球散发到太空的能量,基本相等。

这些能量传递都是以电磁辐射(光)的形式进行的,电磁辐射最基本的作用就是加热,“热”是能量传输的基本形式。

地球吸收和放出的热量基本相等,否则地球的温度就会不断升高,生命也无法存活。

如果只看能量,你会发现太阳在做“无用功”。

看到这里,可能有人会觉得,太阳是在给地球保温,让地球保持适合生物生长的温度。

太阳确实有这个作用,但这绝不是重点。

可以简单设想一下,“温室气体”也能起到保温的作用,如果让温室效应达到极致,地球上的生命可以只靠大气中不断反射的电磁辐射生活吗?

答案是不能。

最简单的解释就是:不是所有的光都能引起植物的光合作用(在下文会详细介绍)。

说这些,是想让大家知道:能量并不是重点,可以提供能量的东西有很多,太阳对地球生物圈的作用不只是提供能量。

能量和能量是有区别的,地球吸收和释放的能量是有区别的。虽然都是电磁辐射,但是有些电磁辐射是不能被利用。

能被利用的能量,才是关键,否则人类只需要烤火就能生存了。

至于什么样的电磁辐射是“能被利用的能量”,或者说是能被光合作用利用的能量?

这就需要谈一谈物理学定律了。

熵增与耗散结构

不得不考虑生命在自然界中的地位。

提到生命,就必须考虑热力学第二定律(熵增定律):

孤立系统的熵,只增不减。

  • 熵,可以表示“混乱程度”。
  • 生命,表现出“有序”。

熵增定律经常会让人觉得生命不应该存在。

不过,这只是忽略了熵增定律适用范围:孤立系统。

如果是封闭系统或开放系统,熵就可以减小。生命自然是开放系统。

物理学家薛定谔(E.Schrödinger)曾在《生命是什么》里面写道过:

生命以负熵为生。

“负熵”其实就是在说“熵的减小”,生命其实就是在对抗熵增。

真正考虑生命在自然界中的地位,就要用到普里戈金(I.llyaPrigogine)提出的耗散结构理论,这是真正描述生命的理论。

自然界所有系统的热力学状态,都可以分成三类:

  • 平衡态
  • 近平衡态
  • 远离平衡态

熵最大的状态就是平衡态,可以简单理解成温度均匀分布的状态,物理学通常都是在研究平衡态。

生物则是远离平衡态的系统,是一种耗散结构,可以不断从环境中吸取“负熵”,维持秩序。

对于地球上的生物来说,太阳是“负熵”的最初来源,维持植物的光合作用。

熵,才是关键。只看能量,是没有意义的。

光,也有熵

还是要看一看地球吸收和释放的能量。

  • 太阳给地球的能量,是“短波辐射”。
  • 地球释放的能量,是“长波辐射”。

同样是电磁辐射(光),波长不一样,差别真的很大。

前面已经提到,地球吸收和释放的能量是相等的。这些能量都以电磁辐射的形式传递。

现在就需要看一看量子力学的常识了,普朗克公式:

  • 波长小,频率大。
  • 波长大,频率小。

不管是太阳的“短波辐射”还是地球的“长波辐射”,都包含各种频率的光子。只看平均频率,“短波辐射”的单个光子有更大的能量。

前面说过,“短波辐射”和“长波辐射”的总能量相等,所以“短波辐射”包含的光子更少。

光子更少,通常就说明熵更小。

所以说,太阳的“短波辐射”比地球的“长波辐射”的熵更小。总的来看,地球的熵在减小。

这才是太阳的作用,提供“负熵”。

在这里可以看一些具体的数据:

  • 太阳的短波辐射,波长主要在 150 至 4000 纳米。
  • 地球的长波辐射,波长主要在 4000 至 120000 纳米。
  • 可以让植物进行光合作用的波长在 400 至 700 纳米。

太阳光最强的波段,基本上就是可以让植物进行光合作用的波段,也就是可见光。

这不全是植物适应太阳进化的结果,依然和“光的熵”有关。

只要物体的温度高于绝对零度(零下 273.15 摄氏度),就会发出红外线,你能感知的一切物体都在释放红外线。

这也是红外摄像机可以在夜间工作的原因。

植物的温度也要基本保持恒定,吸收和放出的能量也不会相差太多。如果想用光合作用生存,就必须吸收比红外线的熵更小的光。

这其实也是植物补光灯的原理,给植物补光,需要发出一定频率的光,不是随便开个灯就行。

(此处省略了一些内容。)


这确实不是很好理解,我也只是说了个大概,大家凑合着看一看。

主要还是想让大家知道,提到太阳对生命的贡献,“负熵”才是关键。

光,也有熵。

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