热力学第二定律断言，永动机不可能实现，我们居住的这个世界也将变得越来越无序。然而在大自然中，秩序从混乱中自发产生的例子比比皆是——若非如此，不仅是我们生存的地球，就连生命本身也无法在混沌中诞生。这种显而易见的矛盾是否宣判了第二定律的死刑？这是否意味着永动机有可能实现？
科学已经给人类带来了太多的失望。它为我们的技术发展设定了上限，比如光速不可逾越，却没能帮助我们摆脱癌症及其他疾病的折磨，甚至让我们不得不面对一些棘手的现实问题，比如说全球气候变化。在所有这些令人失望的打击之中，最为沉重的大概莫过于热力学第二定律了。这条定律断言，我们居住的这个宇宙将变得越来越无序，我们对此却无能为力。
我们生活中的任何举动，都在推动这个宇宙不可逆转地走向衰亡。无论我们制造的机器如何先进，都不可能做到完全没有能量损耗，也逃脱不了磨损老化的命运。热力学第二定律不仅粉碎了制造永动机的梦想，还预言整个宇宙最终将耗尽所有可用的能量，堕入被称为“热寂”（heat death）的永恒死寂之中。具有讽刺意味的是，热力学（包括它所涵盖的第二定律）最初可以追溯到19世纪中叶欣欣向荣的技术变革时代。
那个时候，蒸汽机正在改变整个世界的面貌，以鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）、尼古拉斯·萨迪·卡诺（Nicolas Sadi Carnot）、詹姆士·焦耳（James Joule）和开尔文勋爵（Lord Kelvin）为代表的一批物理学家，发展出一套有关能量和热量的理论，来理解蒸汽机的工作原理以及限制蒸汽机效率的因素。
从这些实际问题中脱胎出来的热力学，已经成为物理学和工程学的一个重要分支。
然而，尽管经得起实际检验，热力学第二定律依然显得自相矛盾。所有系统都稳步走向衰亡的断言，似乎与大自然中消退与生长并存、自我解构与自我组织同在的众多实例并不一致。此外，推导出热力学第二定律的原始方法有很严重的理论缺陷。无论如何，热力学第二定律的适用范围不应该像如今这么广泛。
热力学是物理学中最被人广泛误解的分支之一。门外汉和科学家一样，都经常在不清楚确切定义和内涵的情况下，使用温度、压力和能量之类的概念。不过，我们这些深入探究热力学理论的人却清楚地知道，对此必须小心谨慎。严格说来，热力学的软肋在于，它只适用于那些处于平静状态的系统，这种状态被称为平衡态。
非平衡系统的某些行为非常奇妙，不仅违背了经典热力学的描述，甚至连“大自然倾向于稳步走向无序”这一观念都受到了冲击。我们不妨用烤面包机这种常见的电器来举一个例子。烤面包机内部的电热丝之所以发热，是因为制作电热丝的材料会阻碍电流在其中流动。热力学第二定律判定这个过程是不可逆的：你不可能把一块烤好的面包片塞回机器里，在使它还原的同时顺便产生电流。
然而，类似的事情确实是可以做到的。你可以在烤面包机电热丝的两端加上一个温度差，从而确保系统始终远离平衡态。这时，电热丝确实会产生电流。这个逆转的过程就是热电偶（thermocouple）的基本原理，这种器件被用来测量温度或者发电。
另一个例子是用于海水淡化的反向渗透。在标准渗透过程中，薄膜两侧盐分浓度不同造成一个压力差，确保水流向盐分较高的一侧去稀释盐水。这样一来，系统就会趋于平衡。而在反渗透过程中，外部施加的压力使系统始终处于非平衡态，迫使水流向盐分较低的一边，获得可以饮用的淡水。
从蒸汽机到分子马达热力学的最初发展是从蒸汽机中获得的灵感。如今，这个学科的进步则由活体细胞中微小的分子发动机驱动。尽管这些发
动机体积差异巨大，但它们都具有同一个功能：将能量转化为运动。比如，三磷酸腺苷（ATP）分子为肌肉组织中的肌球
蛋白（myosin）分子提供燃料，使后者沿着肌动蛋白纤维（actin filament）移动，从而牵引它所附着的肌纤维。还有一
些发动机由光来驱动，或者由质子浓度差或温度差驱动。化学能可以驱动离子通过细胞膜上的通道，从离子浓度低的一侧
流向离子浓度高的一侧——如果没有这种主动输运机制，离子的流向就会刚好相反。
大尺度和小尺度上的“机器”在许多层面上十分相似。化学能涨落对分子马达的影响方式，与随机变化的吸油量对汽车发动
机活塞的影响如出一辙。因此，将热力学应用于大尺度马达的“优良传统”也可以延续到小尺度马达上。尽管物理学家有其
他数学工具可以分析这些小系统，但是那些工具运用起来需要不少技巧。比如流体方程，它需要研究人员精确界定系统的
边界条件——如果边界极不规则，这项工作就难于上青天。热力学则提供了计算上的一条捷径，而且已经产生了许多新的
见解。我就与挪威科技大学的西涅·谢尔斯特鲁普（Signe Kjelstrup）和迪克·贝多克斯（Dick Bedeaux）合作，发现热在
离子通道运作过程中发挥的作用被低估了。
简而言之，我和同事们已经证明，从无序向有序的转变不仅没有违背热力学第二定律，而且能够很好地融合进一个更广阔
的热力学框架。我们正准备着手将这种新的见解投入到实际应用。永动机仍然是一个幻梦，我们也依旧注定会在同衰退的
对抗中败下阵来。但是，热力学第二定律并不要求衰退自始至终稳步前进。自发出现的有序和复杂结构，可以与衰退过程
轻松共存。