作者：黄湘红 段跃初

在2024年12月23日，《物理学评论简报》发表了一篇名为《无爱因斯坦关系的热力学第二定律》的论文。该论文由本杰明·索尔金、哈伊姆·迪亚曼、吉尔·阿里尔和托默·马科维奇共同撰写。

这篇论文的作者团队来自以色列特拉维夫大学。他们的研究成果是提出了一种新理论，将热力学第二定律进行推广，考虑了生命系统中的熵生产问题。

从研究成果的具体内容来看，他们基于过去几十年发展起来的概念，从所谓的过度封装朗格文方程出发，通过应用随机热力学，重新推导了热力学的第一定律和第二定律。在推导过程中，研究人员考虑了随机热力学中的关键量——信息熵生产，通过施加三个特定物理条件，推导出了一个称为广义非平衡温度的方程。

这一研究成果意义重大。在现实世界中，许多活性物质系统如迁移细胞、成群鸟类、移动人群等，它们的运动表现出与布朗粒子被动动力学不同的特征。布朗粒子的动力学特征是粒子运动的波动和其与环境的耗散相互作用之间的平衡，爱因斯坦关系是普通经典流体的波动耗散关系的一个例子。然而在活性物质中，爱因斯坦关系通常被打破，这就导致了常规波动关系的违背。新理论的提出，为解释这些活性物质系统的运动提供了新的视角和方法。

从理论层面来说，该理论的意义在于它在不假设爱因斯坦关系及其相应热力学温度的情况下，推导出了一种新的热力学第二定律。这种新理论能够帮助我们更好地理解生命系统在远离热平衡状态下的能量转换和熵生产。通过该理论，我们可以得到一些有用的热力学关系，如克劳修斯不等式、广义“卡雷效率”以及可提取功和自由能变化之间的界限。

对此，物理学界的专家们给予了高度评价。雷纳·克拉格斯来自伦敦玛丽女王大学数学科学学院复杂系统中心，他认为这一理论为理解生命系统的运动提供了重要的理论基础。他指出，该理论将随机热力学与活性物质领域联系起来，为研究生物动力学提供了新的思路。

这一研究成果的重要性还体现在它为进一步研究生物系统的热力学性质提供了新的方向。通过将理论应用于某些爱因斯坦关系被打破的实验系统，能够验证广义温度概念，从而推动生物物理学和相关领域的发展。

总之，这篇论文的发表为我们理解生命系统的热力学规律提供了新的视角和方法，对推动生物物理学以及相关领域的发展具有重要意义。它不仅在理论上为我们提供了新的思考方向，也为实际应用提供了可能。相信在未来的研究中，这一理论将得到进一步的完善和应用。

参考文献：Toward a Second Law for Living Systems｜Physical Review Letters in the United States

作者黄湘红，教育学硕士，副教授，湖南省科普作家协会青委会委员，中国天文学会会员

段跃初是中国科普作家协会会员、中国未来研究会会员

（转载自科普中国官网）