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為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體？為什么凋落的樹葉不會(huì)重回枝頭，枯萎的花朵不會(huì)重新綻放？
自然界中宏觀事物的發(fā)展過程都有一個(gè)優(yōu)先的方向，遵循的規(guī)律便是熱力學(xué)第二定律，也稱“熵增加原理”，它指的是在一個(gè)孤立系統(tǒng)里，如果沒有外力做功，其無序的程度（即熵）會(huì)不斷增大。
人的生命也如此，從物理層面的運(yùn)動(dòng)到精神層面的思考，都會(huì)消耗能量并產(chǎn)生熵，打破原有的平衡。我們的大腦也是如此，當(dāng)我們思考時(shí)，大腦會(huì)消耗能量，產(chǎn)生熵。
熱力學(xué)第二定律，有幾種常用的表述方式。德國物理學(xué)家克勞修斯將其表述為：熱量不能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。英國物理學(xué)家威廉·湯姆遜（開爾文勛爵）和德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克將其表述為：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。熵增加原理表述為：孤立系統(tǒng)的熵永不自動(dòng)減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。
思考越高級(jí)熵越多
人類的大腦每天需要接收、記憶各種信息，學(xué)習(xí)、理解各種知識(shí)，分類、處理各樣事務(wù)。這意味著大腦的熵在不斷增加，若不及時(shí)優(yōu)化、排序，大腦就會(huì)越來越無序。
研究人員利用功能性核磁共振成像（fMRI）技術(shù)，觀測到大腦不同認(rèn)知功能的區(qū)域消耗的氧氣量，從而計(jì)算出大腦不同時(shí)間、不同位置的能量消耗情況，并通過模型，計(jì)算出其產(chǎn)生的熵。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腦處于休息狀態(tài)時(shí)，各個(gè)腦區(qū)處于不同狀態(tài)且不斷轉(zhuǎn)換，但各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是隨機(jī)、可逆的。我們認(rèn)為這是一種“細(xì)致平衡（detailed balance）”狀態(tài)。
而當(dāng)大腦處于思考狀態(tài)時(shí)，各個(gè)腦區(qū)在不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換存在方向性，這被稱為“細(xì)致平衡破缺（broken detailed balance）”。也就是說，在思考的過程中，神經(jīng)活動(dòng)的“細(xì)致平衡”被打破了，這時(shí)表示混亂程度的熵也增加了。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在情緒處理、工作、社交、語言、理性思考、風(fēng)險(xiǎn)決策、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行等7種不同類型的大腦認(rèn)知活動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和風(fēng)險(xiǎn)決策等活動(dòng)中的熵產(chǎn)生最明顯，而語言、情緒處理等活動(dòng)中的熵產(chǎn)生較少。也就是說，進(jìn)行越高級(jí)、越復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)，大腦產(chǎn)生的熵越多。
挖掘大腦的潛能
結(jié)合這一科學(xué)研究與自己用腦學(xué)習(xí)時(shí)的情況想一想、觀察一下，前文中說的與自己的情況是不是一樣？利用這項(xiàng)研究可以讓我們?cè)谖磥韺W(xué)得更好或變得更聰明嗎？我們又要如何對(duì)抗大腦熵的增加呢？
研究表明，當(dāng)學(xué)習(xí)的速度慢下來時(shí)，神經(jīng)元中熵的增加會(huì)減緩，從而使我們的學(xué)習(xí)效率不降反升。
對(duì)于每個(gè)人來說，大腦是我們身體的總指揮部，對(duì)抗大腦熵增加的方法就是科學(xué)用腦，不斷挖掘大腦的潛能。例如，在學(xué)習(xí)方面，可以不斷地重復(fù)、慢慢雕琢、反復(fù)練習(xí)，要知道“欲速則不達(dá)”“慢工出細(xì)活”反而學(xué)習(xí)效率更高。或者去看一場電影、讀一本書、與朋友進(jìn)行一次暢談，從中探索到新鮮的信息、知識(shí)或智慧，為大腦“減熵”。
人類對(duì)自身大腦的認(rèn)知與探索神秘而迷人的宇宙一樣，充滿未知卻又其樂無窮。想要真正解鎖人類大腦蘊(yùn)藏的玄機(jī)還有很長的路要走，但相信總有一天，人們能解開大腦的終極奧秘！
知識(shí)鏈接
用生活中的例子幫你理解“熵”
整潔的桌面，如果我們不隨時(shí)整理、清潔，使用一段時(shí)間后，會(huì)變得雜亂無章。桌面的混亂程度，就是熵。若我們一直不整理（即沒有外力做功），桌面就會(huì)越來越亂（即熵會(huì)不斷增大）。
再比如，我們買來的新電腦，運(yùn)行速度通常會(huì)很快，但是如果我們長期不清理垃圾文件，它就會(huì)變得越來越卡頓，也就是熵在不斷增大。
“貪吃”的大腦
在人體中，大腦的重量僅占體重的2%，但是消耗的能量卻達(dá)到了整體消耗的20%～30%，大腦“貪吃”葡萄糖的習(xí)慣使其成為全身耗能最大的器官。
你或許會(huì)覺得，大腦每天要思考那么多事情、學(xué)習(xí)那么多知識(shí)、作出那么多決定，肯定會(huì)有很多消耗。而你大概沒有想到，這20%其實(shí)是大腦靜息狀態(tài)的耗能——即使什么都不想，神經(jīng)元（如上圖所示，它是神經(jīng)系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位）在休息時(shí)也會(huì)消耗如此多的能量，又被稱作大腦的“暗能量”。若是再進(jìn)行一番“深思熟慮”，那消耗的能量還要再多5%～10%。
童年時(shí)期的大腦甚至更加“貪吃”，對(duì)氧的需求量較成年人更大。研究顯示，五六歲兒童的大腦消耗的能量可以占到全身的50%～60%。
此外，即便大腦處于極度不活躍的狀態(tài)（例如昏迷），其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半，與其他器官相比仍是高耗能的。
（作者單位：同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）
責(zé)任編輯：胡惠雯
