董加耕:生命的动力——生命现象的物理解释与猜测

选择字号:   本文共阅读 4965 次 更新时间:2015-02-26 13:49

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董加耕  


1、生命,结构还是过程?

生命的本质是什么?我们可以立即分辨出生命体和非生命体,生命过程和非生命过程,但要从科学的角度回答生命体和非生命体、生命过程和非生命过程的本质区别,却是比较困难的。

生物学以揭示生命的本质为已任。纵观生物学的发展历程和研究现状,可以看出,生物学主要在以下两个方面取得了辉煌的成就:一是对生物的结构从分析的角度进行了深入的研究,另一是对生物物种的遗传和进化给出了详尽的解释。生物学不仅将生命体剖分为具有不同特定功能的部件,并且认定构成生命体的基本单元为细胞。然后,细胞又被进一步剖分,并最终发现了隐藏在细胞核中的遗传密码DNA。历史上,使生物学生产重要进展的科学事件有:达尔文提出生物物种进化论;孟德尔发现遗传定律;细胞的发现;化学在生物学中应用及分子生物学的诞生;染色体及遗传密码的发现等。

不难看出,生物学关于生命的研究,有以下两个特点。一是将生命主要作为一个结构而不是主要作为一个过程来研究。我们对具有生命现象的物质结构进行了深入细致的解剖,研究了它们由大到小不同层次的结构、成份和功能。尽管在研究生物结构及其构成这些结构的物质成份的同时,我们也研究了发生在这些结构和物质成份中的物理的或化学的过程,但当我们讨论生命现象时,我们首先想到的是一个具有一定结构和化学成份的生物体,而不是生命活动的过程,不是物质和能量的流动、集中过程。与此相关,生物学研究生命的另一个特点是主要采用了逐步细分的研究方法。相对而言,将生命体作为一个整体,研究发生在这一整体上的物质能量过程,研究这一整体与外界的物质能量交换,在这些方面,现有的生命科学基本上无实质性的进展。显然,化学在生物学研究中起到了至关重要的作用,但物理学在生物学中的应用却相对较少。

不可否认,遗传是生命的一个主要特征,但是不是将生命体与非生命体、生命过程与非生命过程区别开来的唯一特征,或主要特征,还有待商榷。

生命现象尽管是发生在一个由特殊材料构成的特殊的结构中,但是,生命现象也应该是一个过程,或者说,生命的本质特征不仅通过其特有的结构表现出来,还应该通过发生在这一结构中的过程表现出来。生命过程应该是物质和能量的流动过程,并在流动过程中表现出了物质和能量的集中。如果我们已彻底查清了生命过程的实质,则不论发生这一过程的物质是什么,不论它是不是由细胞构成,是不是碳水化合物,这一过程也可以被认为是生命过程。可能将来,具有生命特征的结构不一定全部都由碳水化合物构成,它们可能由金属材料制成,或者由一团星系构成。生命的存在不一定必须要有水和空气。如果未来的计算机具有人的智慧,具有生命体才具有的自主意识,能够自动复制繁殖,那么这种计算机算不算是生命体呢?区别生命和非生命的本质特征是生命体的特殊结构,是构成生命体的物质或材料,还是生命体的特殊结构和材料所具有的特殊功能?是发生在这一特殊结构和材料中的过程所表现出的某种特性?

   2、"机械论"与"活力论"之争

尽管生命科学,特别是与遗传有关的分子生物学已取得了长足的进展,但是,在我们的理解中,生命现象与非生命的物理现象仍然有着巨大的差别。生命现象能否用物理规律给予解释呢?在历史上,关于生命的本质,曾有过"机械论"和"活力论"之争,甚至直到现在,这种争论还在以某种方式延续着。有人认为,系统论的创始人贝塔朗菲提出的"机体论",其实质仍是"活力论"。

"机械论"认为,生命现象,不管其多么复杂,最终都可以从物理学的角度给出解释。只不过生命系统是一个超大规模的复杂系统,对生命现象的物理解释是一个十分繁杂的事情。发生在生命体上的任何过程,生物的任何举动,都是有原因的,都是由当时的外界条件和生物体以往的历史唯一的确定,所有这些原因所产生的结果,都服从已知的物理规律。因此,"机械论"也是"决定论"。而这些物理规律,也就是决定那些非生命过程的物理规律。生命过程与非生命的过程,除了复杂程度不同外,无任何实质性的差别。生命体就其本质而言,就是一种复杂机械。"机械论"者甚至相信,将来,不仅生物学可以从物理学中得到解释,甚至心理学、伦理学、法律、道德等人文科学都可以从物理学中得到最终解释。

"活力论"似乎给人一种唯心论的感觉,它认为生命体中有一种不能用现有的机械的物理规律给予解释的神秘活力。但"活力论"所强调的生命现象和非生命现象的显著区别,"活力论"所强调的生命"活力"的存在,恰好抓住了问题的关键,给人印象深刻,甚至使人怀疑物理规律能不能真正解释生命的本质。生命的"活力"或生物生命活动所表现出的"目的",生物所具有的自主意识或所谓的"意志",长期困惑着人们,也向人们展示着生命与非生命本质上的不同。

3、生命中的熵减或物质能量集中

显然,不论是"机械论"还是"活力论",都可以看成是一种哲学观点,由于相关学科的发展还不够成熟,它们都没有能对具体的生命现象给出具体的解释,例如对植物和动物的生命过程的区别给出解释。自从热力学第二定律提出之后,人们才认识到,生命的"活力"可以用一个熵减过程来说明,至此,生命现象才真正与物理学联系了起来,物理学也才真正找到了解释生命现象的钥匙。如果认为早期的"机械论"和"活力论"之争是生命现象物理学解释的第一阶段,是哲学上的争论阶段,则用熵减过程来解释生命现象,就可以看成是生命现象物理学解释的第二个阶段,是给出某种程度的实质性解释的阶段。

在热力学中,系统熵的改变量定义为:dS= dQ/T。这里,dQ为外界输入系统的热量,T为系统的温度。根据克劳修斯,热力学第二定律可以表述为熵增原理,即如果一个系统与外界没有热量交换,dQ=0,则这个系统经历了不可逆过程之后,我们计算系统内各个子系统的熵改变量的总和,或各个子过程的熵改变量的总和,就会发现,系统终了状态的总熵S会大于起始状态的总熵,ΔS>0。我在《熵改变与物质能量能量的扩散或集中》一文中,已经指出,熵的定义可以扩展为dS= dE/T,dE为传入系统中的所有形式的能量,包括机械能和其它与机械能类似的、不能归结为热能的能量,只要我们认为机械能或其它不能归结为热能的能量所"具有"的温度为无穷大、机械能从承载机械能的系统传入或传出时引起该系统的熵改变量始终为零即可。《熵改变与物质能量能量的扩散或集中》一文说明了,熵增过程可以看成是物质或能量在空间中的扩散过程,与此相对应,纯粹的熵减过程,可以看成是物质或能量在空间中的集中过程。许多常见的自发过程都是熵增的物质能量扩散过程,例如,热传递、气体的自由膨胀和物质的自动扩散过程。热量只能从高温区域自动的流向低温区域,温度高的区域能量密度也高。物质也只能从物质密度高的区域自动的扩散到物质密度低的区域。由于物质是能量的承载者,因此,物质扩散也可以看成是一种能量扩散。最终,这些自发的过程使得系统内部的能量分布,以及与能量分布相关的物质分布达到处处均匀,系统达到热力学上的平衡态,系统的熵达到其所能达到的最大值。玻尔兹曼从统计物理学方面对熵给出了著名的几率解释,即熵S是系统的热力学几率W的函数,S=KlnW,K为玻尔兹曼常数。系统对应的热力学几率越大,系统内各元素的状态就越难确定,系统的"无序"程度也就越大。熵增过程是系统从小几率的状态向大几率的状态的变化过程,也就是系统从有序走向无序的过程,而熵减过程就是系统从无序走向有序的过程。在仙农的信息论中,熵与系统的信息量有关,关于系统的信息越多,系统的确定程度就越大,系统的负熵值也就越大,系统也就更为有序。

生命过程就是一类熵减过程,这一观点已成为许多人的共识。植物并没有按照熵增的常规将自身扩散或溶解到土壤和空气之中,相反,土壤和空气中的某些特殊物质却被植物通过光和作用而提纯出来,并被转化为植物体自身,使植物与周围环境的差距进一步拉大,植物系统的有序得到进一步扩张,并使我们以为构成植物的物质能量系统具有了一定的"目的"或"活力"。实际上,生命的"活力"或"目的"并不是某种神秘莫测的、不可解释的属性,只是由于生命过程是一个熵减的过程,与通常的熵增过程截然不同,才使我们以为生命体这种物质能量系统似乎具有了某种神秘的"活力"或"目的"。生命活动的"目的"就是生物的生存和生长。当负熵不断增加,有序的系统不断扩张时,即当生物生长时,或当这一具有负熵的系统抵抗外界输入的正熵或自身不断产生的正熵而维持其已有的负熵时,也就是生物维持其生存时,我们就说这一系统似乎具有了一定的"目的"。生命的"活力",实际上就是使生命系统产生熵减过程的机制或动力。生命系统的"目的"或"活力",只不过是我们的一种看法,是与通常的熵增过程完全不同的熵减过程或维持负熵的过程给我们所造成的一种感觉。

但是,由于熵减过程似乎与热力学第二定律相矛盾而被人们看作是"麦克斯伟的妖魔"在作怪。直到近代,人们才认识到这类熵减过程的合法性。实际上,第二定律并不排斥系统内部某些区域出现熵减过程,如制冷机的制冷过程,但是,在这一熵减过程进行的同时,系统还必须要有一个相关的熵增过程存在,使得整个孤立系统的总熵变是熵增的。如果仅考虑出现区域性熵减的子系统,则这一子系统必须是一个开放系统,这一子系统中除了熵减过程外,还必须要有一个熵增的物质或能量的传输过程。在空调制冷的过程中,热量从温度较低、能量密度较低的室内集中到了温度或能量密度较高的室外,这是一个纯粹的熵减过程,但是,在这一熵减过程进行的同时,空调必须耗电,将电能转变为机械能,并进而转变为热能,这是一个熵增的能量扩散过程,从而使得包含室内和室外及电源的整个系统是熵增的。

从物质能量流动的角度讲,生命过程是一个物质能量的传输和集中过程,物质能量的集中就是生物的生长。当生物不再生长时,生物的生存过程就是纯粹的物质能量传输过程。从热力学的角度讲,生命过程可以认为是一个符合热力学第二定律的区域性的自发的熵减过程,在包括生命体及其生存环境的总系统中,熵是增加的。熵减过程就是生物的生长过程。当熵减过程结束后,维持已有的负熵值的过程就是生物的生存过程。为了生产负熵,更为了维持已有的负熵值,系统必须始终存在一个熵增的物质能量传输过程。新陈代谢过程中,除了包含有一个熵减的物质能量集中过程外,还包含了一个使生物生长不违反第二定律的熵增的物质能量的传输过程。显然,只有当生命系统是一个与外界有物质和能量交换的开放系统时,符合第二定律的熵减过程才有可能发生。

关于生物体内的物质和能量的传输过程,生物学已从微观的角度进行了深入细致的研究。但是,关于植物体内的光和作用、关于动物体内的物质代谢和能量代谢,有许多问题我们还未完全了解,许多细节还有待深入探究。从微观和宏观两个方面进一步深入研究生命过程中的物质能量流动,仍然是生命科学的一项主要工作。本文就试图从宏观的角度来讨论生命过程中的物质能量流动。

据说,有科学家曾对小白鼠喂食具有放射性物质的食物,过几天再改喂正常食物。通过检测发现,开始时,放射性物质在胃部富集,然后,扩散至全身包括毛发的所有部位,最后,放射性物质又逐渐被正常物质替代。这说明,即使是发育成熟的器管,其细胞内部仍然在不断的进行着物质能量的流动。

薛定谔在他著名的《生命是什么》一书中,认为生命体是"以负熵为生的"。生命体为了维持它的有序结构,必须"吃进负熵",但"吃进"物质或能量却似乎不是必须的。耗散结构理论的创始人普里高津也认为,系统的熵由系统自身不断产生的正熵和外界流入系统的熵两部分组成。因此,要维持一个有序的、具有负熵值的系统,则必须由外界不断的向系统输入负熵。本文认为,熵不是一个守恒量,熵是一个在系统变化过程中,在物质能量流动过程中不断产生和改变的量,使用"熵的流动"一词并不十分恰当。而物质或能量却是守恒量。熵只不过是守恒的物质或能量在流动过程中所表现出的物质能量的集中或扩散程度的一种度量。生命系统是一个区域性的负熵系统,但我们不能说维持负熵需要输入负熵,而是应该说要输入物质和能量,以便在物质能量流动的过程中产生物质能量的集中,也即产生负熵。

4、集中动力和稳定性,生物的生长与生存

如同在热力学中使用"广义热力学力"和"广义热力学流"来描述熵增的物质能量扩散过程一样,对于符合热力学第二定律的区域性熵减的物质能量集中过程,我们也可以用"物质能量集中的动力"和"物质能量集中的流动"这一对概念来进行描述。例如,在气体膨胀对外做功的过程中,纯粹的体积膨胀是一个熵增的物质能量扩散过程,纯粹的对外做功是一个熵减的物质能量集中过程,这里,物质能量集中的流动是指系统的能量从一个温度为有限值的区域向温度为无穷大的"区域"的流动,具有机械能的系统的温度可以看成是无穷大,而导致这一流动的动力,可以认为是物质能量空间分布的不均匀,即导致体积膨胀的压力差,也可能是体积膨胀的物质扩散的流动。但是,这种物质能量集中的动力在物质能量集中的过程结束后,也就随之消失了,因此,气体膨胀对外做功的过程不可能长期存在。

区别集中动力和集中流动的一个重要原因是在某些特殊的情况下,集中动力可以与集中流动无关而独立存在,而且,集中动力的独立存在恰恰是物质能量集中的有序状态能够维持其稳定或长期存在的基本前提。显然,已有的物质能量集中状态并不能保证自身的稳定存在。例如,雪花中水分子的排列可以说相当有序,雪花实际上是一团水分子将热量集中到别处后的一种剩余状态。但当温度再次升高时,即当有热量扩散到雪花时,雪花就会融化。对于一个熵减过程,当由于其边界条件或其它条件的限制,使得产生有序的"资源"已经用完,熵减过程停止后,为了维持已有的负熵值或物质能量集中状态的稳定,即在随机出现的外界输入的干扰或内部自发的熵增来临时,系统能够随时发动一个熵减过程来抵消干扰引起的熵增或自发的熵增,则原来使系统产生熵减过程的机制或动力,就必须在熵减过程停止后,仍能继续存在。若干扰直接提供了产生有序的"资源",且限制条件允许,这一熵减动力就能立即发动一个熵减过程来产生有序,因此,已有的有序就会进一步"生长"。若干扰破坏了已有的有序从而产生"资源",则这一动力所发动的熵减过程就能使破坏了的有序得以恢复,从而使系统保持稳定。可见,有序的恢复和稳定也是通过有序的生长来实现的。例如,在温度自控的制冷机的制冷过程中,独立存在的制冷的动力就是电源的电动势,或将机械功转化为热的趋势。这一动力在制冷过程停止后,为了维持所达到的低温而必须继续存在。温度的传感和控制机构,应该说相当于物质能量集中的限制条件。

可以认为,这里已给出了生物生存与生长的热力学解释。生命存在的基本前提是生物必须是一个开放系统,生命系统中必须存在一个物质能量的流动过程,从而使物质能量流动过程中附加的物质能量集中不违反热力学第二定律。但是,这一系统能否长期稳定的存在,却取决于系统是否始终存在一个物质能量集中的动力,这一动力在物质能量集中过程不再进行时,生物不再生长时仍能继续存在。对生物而言,这一物质能量集中的动力就是生命系统中始终存在的物质能量的流动,是生物的新陈代谢过程。生物的生存或生命系统的稳定与生物的生长实质上是统一的。

但是,生物系统的稳定要比温度自控的制冷系统的稳定复杂得多。制冷系统维持稳定的集中动力是外界提供的电源电动势,但生命系统的集中动力却是系统内部的新陈代谢过程。制冷系统的稳定仅仅是维持一个物质能量集中状态的稳定,维持室内的低温。但是,生命系统的稳定除了要维持已有的物质能量集中状态外,还要维持生命系统中始终存在的物质能量流动过程的稳定。在生命系统中,新陈代谢过程,既是生命过程自身,也是维持生命过程稳定的过程。导致集中动力的物质能量流动与集中动力所要维持的物质能量流动是同一股物质能量流动。在这一物质能量流动的过程中,出现了区域性的物质能量集中,因此,只要维持了这一物质能量流动的稳定,也就维持了已有的物质能量集中状态的稳定。

在生命过程中,物质能量集中的限制条件也是存在的,它使得生物不可能无限的生长,动物不可能永不间断的吃东西。由于这些限制条件,动物要休息、睡眠、冬眠,使生物的生命活动表现出某种周期性来。同时,由于外界输入的熵增、特别是生命体内部的自发熵增,生物会渐渐衰老,并最终走向死亡。

5、生命产生和维持的自组织模式

生命的熵减过程解释已使我们可以理解生命与非生命的巨大差别。但是,这一理论不能说明生命过程从无生命的熵增环境中自发产生的问题;也不能说明生物的集中动力自身自动保持稳定的问题。显然,这一理论不能说明生命过程和温度自控的制冷过程的区别。制冷机是人造的,但宇宙中的第一个生命体不可能是上帝制造的,它只能从熵增环境中自发产生。制冷机长期工作的前提是要有一个长期存在的电源,其稳定性是由外界提供的电源保证的。维持生命的机制或动力是一个长期存在的特殊的物质能量传输过程,它与生命过程本身的物质能量流动实质上是同一过程,但这一特殊的物质能量传输过程在熵增环境中又是怎样被保持稳定的呢?

可以认为,生命现象物理解释的第三阶段是普里高津的耗散结构理论,包括哈肯的自组织系统理论。根据普里高津的耗散结构理论,对于一个远离平衡状态的热力学系统,系统的原始状态可能是完全无序和混乱的,如果系统与外界存在有物质和能量的交换,则在外界条件达到一定的阈值时,系统内部的某个偶然性涨落就有可能被"捕获",并以自激励的方式放大,系统就可能从无序走向有序。这种有序的系统是稳定的,系统稳定的前提是系统必须始终存在一个物质能量传输过程,只有开放系统才能保持这种有序系统的稳定。而且,系统走向稳定的方式与系统有序的初始产生的方式一样,都是自激励的。哈肯的自组织系统理论进一步强调了自激励在系统走向有序和维持稳定中的作用,并将自激励描述成自组织。耗散结构理论不仅从热力学上成功的证明了系统从无序自动走向有序的可能性,阐明了系统走向有序的内外部条件,而且,更为重要的是,耗散结构理论和自组织系统理论指明了系统从无序走向有序的方式就是自激励或自组织。

我们用"物质能量集中的动力"和"物质能量集中的流动"这对概念来讨论耗散结构中的物质能量流动过程。由于自组织系统的稳定依赖于一个始终存在的物质能量传输过程,这一物质能量流动在我们所考察的系统内部起始是混乱的,后来是有序的,因此,我们完全有理由认为,自组织系统中的集中动力就是这一有序的且始终存在的物质能量流动,这一物质能量流动维持了自身的稳定性,并在流动过程中出现了物质能量的集中。但是,稳定性并不是自组织系统的本质特征。自组织系统区别于温度自控的制冷机的本质,在于自组织系统中的集中动力是系统内部自发产生的,而不是外界提供的。按照耗散结构理论,当外界条件达到一定的阈值时,系统内部的某个与外界的物质能量传输相一致的偶然性涨落就构成了作为集中动力的物质能量流动,而由此集中动力所引发的物质能量集中的过程恰恰又是集中动力自身的加强过程,因此,物质能量集中的过程和集中动力自身的加强过程相互激励而加速发展,直到限制条件所允许的最大值,系统内部也就随之逐渐出现了物质能量的集中分布状态。在集中过程结束后,这一作为集中动力的物质能量流动仍继续存在,因此,系统的物质能量集中状态就被稳定的维持在允许的最大值上。物质能量集中状态的稳定也就是集中动力的稳定,也就是构成集中动力的物质能量流动的稳定。作为集中动力的物质能量流动是一个熵增的热传递过程,它保证了区域性物质能量集中不违反热力学第二定律。在自组织理论中,物质能量的集中过程和集中动力自身的加强过程相互激励,被描述为自组织。

耗散结构的一个典型例子是贝纳德(Benard)对流,即水在上下两个不同温度的平板热源之间的流动,下板的温度高于上板的温度。当两板之间的温度差大于某个阈值时,无规则热运动中的某个初始向上流动的分子束"影响"了周围的高温分子,使得这些高温分子汇聚到这一向上流动的分子束之中,加强了这一集体向上的分子流动,同时,这一集体向上的分子流动又进一步"影响"周围的高温分子,使其更多的汇聚到这一集体向上的分子束之中,这种自激励的过程将加速发展下去,直到限制条件所允许的最大值,最终形成了稳定且有序的对流状态,即形成了"贝纳德花斑"。这里,集中动力即集体向上的分子流动。在与这一集体向上的分子流动垂直的平面上,集中动力导致了周围高温分子向这一集中动力存在区域汇聚的物质能量集中的流动,最终,在与集中动力的流动垂直的平面上,形成了能量的集中分布状态。在能量的集中过程结束后,这一作为集中动力的集体向上的分子流动仍继续存在,如果限制条件允许,仍能继续"影响"周围的高温分子,因此,能量的集中状态就被稳定的维持在允许的最大值上。能量集中状态的稳定也就是集体向上的分子流动的稳定。作为集中动力的高温分子集体向上的流动是一个熵增的热传递过程,它保证了其横截面上的物质能量集中不违反热力学第二定律。

显然,由于自激励、自组织,有序的物质能量传输过程不仅能从无序的熵增环境中的某个偶然性的涨落中自发的产生出来,并且得以不断的生长或加强,而且也能维持自身的稳定。在这一物质能量传输过程中,出现了物质能量的集中,因此,自激励、自组织的物质能量传输过程的稳定也保证了已有的物质能量集中状态的稳定。

由于集中动力与集中流动、与物质能量集中的状态相联系,因此,耗散结构理论和自组织系统理论都未区分作为集中动力的物质能量流动和作为集中流动的物质能量流动,未区分物质能量的集中流动和物质能量的集中状态,但是,做出这些区分,将会使自激励、自组织过程的物理图像更加清晰。

生命体实际上就是这样一种特殊的耗散结构或自组织系统。生命过程,即新陈代谢过程,实际上就是自激励、自组织的物质能量流动过程,是自身保持自身稳定的过程。它既是生物的生长过程,也是已有生长成果稳定的维持过程,或者说,它既是物质能量的传输与集中过程,也是已有的物质能量集中状态和物质能量传输过程稳定的维持过程。因此,可以认为,耗散结构理论和自组织系统理论已经成功的说明了生命系统的有序从无序环境中自发产生并自动维持稳定的方式,从而使生命系统与温度自控的制冷机区别开来。

可以看出,生命系统是一个"活的"系统,是一个"自动的"系统,或者说是一个"具有生命"的系统,它能够以自组织、自激励的方式自发的从无序的熵增环境中产生出来,转变成一个有序的、区域性熵减的系统,并且,仍以自组织、自激励的方式来自动的维持或扩张系统已有的有序状态或负熵值。

我们将生命系统中的这种以自组织形式产生有序的动力叫做"生命动力",或者更确切的说,叫做"个体的生命动力"。在生命动力的作用下,生物的一切活动,生物对外界输入输出的物质能量流动或物质能量流动差异的一切反应,都应符合"生命原则",也就是说,生物对外界刺激的反应,都应更有利于生物的生命活动,更有利于生物的生长和生存,符合生物生长和生存的"目的"。"生命原则"是"生命动力"的作用结果,是"生命动力"的外在表现。生命动力并不是一种不可解释的"活力",而是自组织的物质能量流动。"生命原则"也不是一种神秘的法则,它实际上是生命这一自动的物质能量传输和集中过程给我们造成的一种感觉。

本文使用"生命动力"一词,并不仅仅是华丽的形容,我们后面将会看到,生命动力会有不同的层次和形式,生命动力的"力"也可以有多个不同的指向。生命动力是熵减的物质能量集中动力的一种特殊形式,即自组织、自激励的形式。使用"生命动力"一词,将会使我们关于生命问题的讨论变得更加方便和清晰。

关于地球上的生命来源,除了宗教上的上帝创造说之外,一种观点是来源于其它星球。但是,其它星球上的生命又是如何产生的呢?有报导说,一些科学家在试验室中模仿生命产生之前的地球上的海洋、大气和空间环境,在闪电的作用下,竟然生成了某些构成生命的基本物质,如氨基酸。实际上,生命产生的自组织、自激励模式已经在原则上说明了生命是如何从无生命的自然环境中自发产生的,说明了宇宙中的第一个生命是如何诞生的。

6、生命的两个基本特征

自组织或自激励的区域性熵减过程就是生命过程吗?除了生命系统外,以普里高津为首的布鲁塞尔学派还研究了其它形式的耗散结构,其它可以生产自激励、自组织模式的熵减过程,如贝纳德对流、激光、被称为化学钟的周期性振荡的化学反应等,甚至一座城市也可以看成是一个耗散结构。这些过程或结构能算作生命吗?这些过程不论其存在时间有多长,最终都会终结或"死亡",但是,生命却能一代又一代延续下去。显然,仅仅是一个具有自组织的区域性熵减过程的结构还不是生命,生命的另一个基本特征是生殖,这种自组织系统必须能够自动复制自己,自动繁殖自己。一个生命体在因外界输入的正熵或自身内部的自发熵增而老化并最终死亡前,必须留下另一个甚至更多的生命的"种子",必须以自己的自组织的物质能量流动为原始动力来引发另一个或多个自组织的物质能量流动。如果自组织的物质能量流动系统引发的另一个自组织的物质能量流动系统与自己完全相同,该自组织系统就具有了遗传功能,如果不相同,则我们就说该自组织系统或生命体发生了变异。

本文认为,具有一个自组织的区域性熵减过程和具有生殖功能是生命的两个基本特征。生命的特征首先表现为生物自身的生长和生存,离开了生物体自身的存在,生殖也就无从谈起。但离开了生殖,生命体就只能存活一代。如果一个结构具有了这两个基本特征,则不论构成这一结构的材料是何种物质,不论它是不是碳水化合物,它都应该被称作生命。

关于地球上现有生物的生殖问题,生物学,特别是分子生物学已进行了仔细的研究。遗传基因、遗传密码已被发现,细胞的复制、生物的生殖都已在某种意义下获得了解释,人们可以人为的控制这些过程,人为的"克隆"出一个与原来的生命完全相同的另一个生命来。但是,生殖过程怎样才能从物质能量流动的角度给予解释?遗传密码以怎样的方式决定了生物体中的物质能量传输和集中过程的形式?这些问题还需进一步研究。

7、现有物理学对生命的解释

通过上述的讨论,我们已经感觉到,生命现象的物理学解释,或者更具体的讲,生命现象的热力学解释,生命现象的物质能量流动解释,已使我们可以在一定程度上理解和把握生命的本质,使我们不再对生命的"活力"或生命活动中所表现出的"目的性"产生困惑。"目的"或"活力"只有通过过程才能表现出来,"死的"结构或状态不具有"目的",不能体现出系统所具有的"活力"。生命首先是一个过程,一个物质与能量的传输与集中过程,一个区域性熵减及其维持负熵值的过程,而且,更重要的是,生命是一个自发产生的、自动维持的、自组织的区域性熵减过程。因此,生命系统是一个"活"的或"具有生命"的系统。自组织或自激励的区域性熵减过程是生命的一个最基本的特征。

这就是到目前为止的物理学所能给出的生命现象物理解释的全部内容。现有的物理学对生命的另一个特征即生殖现象从物质能量流动的角度基本上未做出任何解释。

显然,上述的关于生命现象的物理解释,才仅仅是一个开端,许多问题还没有说明。例如,我们如何从物质能量的传输与集中过程来说明植物和动物的区别?如何说明动物所具有的对外界刺激的反应,特别是对信号刺激的反应?生物体这一种特殊的物质能量系统是如何认识时间和空间的?如何解释人所具有的创造和使用符号的能力?以细胞为代表的物质能量子系统怎样组成了具有宏观过程和宏观功能的生物体这一物质能量大系统?生殖过程怎样才能从物质能量流动的角度给予解释?遗传密码以怎样的方式决定了生物体的结构以及生物体中的物质能量传输和集中过程的形式?某些生物群体中的组织或社会现象怎样用物质能量流动的观点给予解释?等等。

本文试图从物理学的角度、从物质能量流动的角度对植物、动物以及包括人的整个生命体系的生命现象给出全面系统的解释。但就我们目前所掌握的物理学方面的知识而言,还无法就上述所有问题给出明确的解释。因此,本文只能给出一些粗浅的解释,但也是基本的或原则性的解释。许多解释,与其说是解释,还不如说是猜想。

8、动物的主动选择功能

前面第4节关于生长和恢复的讨论,最为直接的表现在植物的刺激反应过程中。刺激实际上是正常的物质能量输入输出的变化,这种变化使植物的生命活动与正常情况发生偏离,使有序或有序产生的速度减少,而"生命动力"又能在刺激过后,随时发动一个熵减过程,即产生一个对刺激的反应,使生命活动恢复正常。例如,干旱使植物枯萎,而雨水滋润之后,植物又能恢复生机。野火烧不尽,春风吹又生。

但是,动物却是根据自身不同部位或不同方向上接收到的刺激,根据自身不同部位或不同方向上接收到的物质能量输入输出的差异情况,通过自身或自身某一部分的空间运动、或其它改变物质能量输入输出的内部机制的调节,选择了一个对自身物质能量集中最为有利的方向或区域来进行物质能量集中。正如我们所看到的,动物通过运动,通过对前进方向或前进区域的选择来做出对刺激的反应。当然,接收到的物质能量输入或输出的差异必然还与动物表面的形状、"质料"等因素有关,甚至于某些刺激是由某些专门的部位来接收的。例如,并不是动物外表的所有部位都具有味觉或嗅觉功能。可以说,植物的生长和恢复所需要的物质能量输入完全由外界随机的提供,植物在这里不做出任何"努力",植物的生长和恢复完全是"被动"的。但是,动物已能够"主动"的选择最佳的物质能量输入了,动物已能主动的"表达"自己生长和生存的目的了。主动与被动的区别、系统主动选择功能的出现,对前进方向或前进区域的选择,通过运动来反应刺激,是动植物的根本区别。

当然,动物也具有植物的刺激反应方式,如伤口的愈合,病后的康复。但是,动物还具有植物所不具有的高级的主动选择式的对刺激的反应。植物人就只有植物的刺激反应方式,他甚至可能没有疼痛的感觉,或者说他不会躲避疼痛的刺激。高级生物必定具有低级生物的刺激反应方式,因为高级生物是在低级生物的基础上,增加高级生物所特有的刺激反应功能而进化来的。

显然,物质能量系统的主动选择功能,已无法用上述的自组织理论来说明了,选择的过程,已不仅仅是生长和恢复过程了,尽管它仍以自身的生长和恢复为目的。动物的物质能量传输和集中过程与植物相比,已具有了完全不同的性质。对于植物来说,不同方向上的物质能量输入,除了产生物质能量的集中或扩散外,不再产生其它作用。但是,对于动物,存在于不同方向上的不同流密度的物质能量输入,除了产生物质能量集中或扩散外,还会导致整个系统的调节或运动,从而使系统能够接收某一方向上的物质能量输入,该方向能最大限度的增加物质能量集中,减少已集中的物质能量扩散。我认为,这种对物质能量输入方向的选择,可以看作是物质能量输入流密度矢量沿不同方向上的分布,向对物质能量集中最为有利的方向的汇聚,即"物质能量集中流动"的集中。当然,动物外界的物质能量流动分布并没有发生变化,这里的集中是指相对于运动着的或内部进行着调节的动物而言所表现出的集中,集中的参照物是动物而不是地面或其它动物外部的固定物体。这种物质能量流动的集中根本不同于物质能量空间分布的集中。因此,我们不得不认为,自然界存在有两个不同层次的集中,一个是物质能量在空间不同区域分布、或物质能量密度标量场分布的集中,另一个是物质能量流动沿不同方向的分布、或物质能量流密度矢量场分布的集中。也就是说,被集中的物理量有物质能量标量和物质能量流密度矢量两类。前一个集中导致了一个物质能量集中的流动,后一个集中导致了物质能量集中流动的流动方向的汇聚。由于系统的熵指系统内部的物质能量空间分布状态的集中或分散程度的度量,则前一集中直接对应于熵减过程,后一集中不能与熵减过程对应,但它却存在于熵减的系统之中,仍以熵减为目的,进一步引起导致熵减的物质能量流动。

流密度矢量集中最后所选择的方向并不一定就是最大的物质能量输入的方向,因为最大的物质能量输入并不一定导致最大的物质能量集中,有时,物质能量输入将导致物质能量扩散。因此,流密度矢量集中的原因或动力,不能由流密度矢量场自身所表示。导致流密度矢量集中的原因或动力,必定是流密度矢量所具有的物质能量集中或扩散的能力或趋势,必须由流密度矢量场的集中最终所导致的物质能量密度标量场的集中情况来确定,表现出流密度矢量集中所具有的熵减的目的来。本文认为,这种集中或扩散的能力或趋势必须用表示这一流密度矢量场各个分量沿不同方向上的变化率的张量来描述,这是一个具有九个值的三维二阶张量。即为:Fij=?Ji/?xj ,其中,Ji为流密度矢量的分量,i,j=1,2,3。这一张量就是流密度矢量集中的"集中动力"。流密度矢量场集中最终所选择的对物质能量集中最为有利的方向,也应该由这一张量所表示的物质能量集中或扩散的能力或趋势确定。同理,流密度矢量的集中过程,即系统内部的物质能量流动的变化过程、对动物而言的运动或调节过程,也必须用一个三维二阶张量才能描述,这一张量就构成了导致流密度矢量集中的"集中流动"张量Jij。

如果流密度矢量的集中过程又进一步加强了引起这一集中的流密度矢量分布的差异,则这一流密度矢量的集中过程就具有了自激励的性质。这种自激励的流密度矢量的集中方式在动物生命活动中的表现,以及在其它非生物的、熵减的系统中的表现,还需进一步研究。

有差异才能有选择,如果动物周围的物质能量分布或物质能量流动分布完全相同,则选择就无从谈起。法国哲学家布列坦曾讲过这样一个喻言,说一头驴处在两堆完全相同的干草之间,由于没有差异,驴无法在两堆干草之间做出选择,这头可怜的驴只能被活活饿死。

为什么物质能量输入的流动要向对物质能量集中最为有利的方向汇聚而不向别的方向汇聚?也就是说,为什么动物要向对自身生命活动最为有利的方向运动而不向别处运动?为什么这种集中要仍以熵减为目的?难道这里有某种无法解释的神秘的"目的"?本文认为,物质能量流动向别的方向汇聚的情况也可能存在,甚至于物质能量流动的流密度失量出现扩散的情况也可能存在,不以熵减为目的的选择也可能存在,自然界并不偏爱生命系统。只不过这些选择要么对熵减的系统无任何作用,要么还可能有害,它不仅不进一步引起熵减,而可能引起熵增,导致自组织的熵减系统走向崩溃。即使这一自组织系统已具有了生殖功能,但它们的生存也最多只能是几代,最后,所有的这类自组织系统都会因这种有害的选择而解体。因此,我们不能看到自然界一直存在的具有这些不利选择的自组织系统或生命系统。只有那些物质能量输入的流动向对物质能量集中最为有利的方向集中的生命系统才能保存了下来,一代又一代遗传至今。可见,达尔文的"自然选择、适者生存"的进化论在这里是适用的。

可以认为,上述的讨论已经对动物的主动性或主动选择功能给出了一个明确的物理学上的解释,尽管这一解释是十分粗糙的,流密度矢量集中的细节、流密度矢量的集中在非生物界的表现等问题还有待于深入研究。这里所讨论的动物是十分简单的,但复杂动物对外界刺激的反应,原则上仍是上述的选择式的反应。

尽管生物学上将生物划分为不止植物和动物两大类,许多微生物很难判定其是植物还是动物,但从物质能量集中的方式来说,将生物划分为仅仅具有物质能量集中目的的植物和附加有流密度矢量集中的动物两大类,即仅仅具有生长和恢复功能的植物和在此功能基础上增加有主动选择功能的动物两大类是足够的。

有人认为,植物也具有选择式的反应。当一棵树的一半受到充足的阳光照射,而另一半却享受不到阳光时,受到阳光照射的一半生长旺盛,甚至树杆就会向阳光照射的一边弯曲。但我认为,受到阳光照射的一半生长旺盛,甚至树杆弯曲,恰好说明了植物的反应是被动式的反应。树杆弯曲是在受阳光照射而生长后才形成的,不是在生长前就主动弯曲的。当然,许多植物也可能具有动物才有的主动性,它们能对某些刺激表现出选择式的反应。如含羞草,当人用手触摸其叶子时,叶子会自动卷曲,以避免人手的触摸。合欢草在白天叶子张开,到晚上照不到阳光时,叶子就会合起来。这种叶子的自动卷曲或开闭,也许是一种主动的选择式的反应。也许,在这种生物体内,有些细胞只具有植物式的被动反应功能,而还有一些细胞已具有了动物式的主动选择功能,有些细胞体中只存在物质能量密度标量的集中,而有些细胞体内已附加了流密度矢量的集中。

9、动物对信号刺激的反应

显然,上节关于动物主动选择的解释,关于动物刺激反应过程的解释,不包含动物对"信号"刺激的反应,例如动物对其眼睛接收到的光信号的反应,因为"信号"不是能够直接用来进行物质能量集中的物质能量流动。这种解释仅仅对如食物气味、温度变化等物质能量流动形式的刺激反应有效。像蚯蚓、蛔虫这样的低级动物只能对物质能量流动做出选择式的反应。高级动物当然也具有这种低级的刺激反应形式,但还具有对信号刺激的反应。

实际上,信号刺激也是一种物质或能量形式的刺激,只不过这种刺激不会直接影响到动物接收刺激部位正常的生命活动。不同颜色的光对于眼睛来说,只要光的强度适当,都不会使眼睛感到不适,动物完全可以不对这种刺激做出反应。

但是,不可思议的是,动物却对这种刺激做出了反应。动物为什么要对这类刺激进行反应呢?显然,这类刺激中包含有对动物生命活动有用的信息。眼睛看到的光信号可能是食物发出的,也可能是某种对动物生命活动有威胁的事物发出的。这里,"信号"一词强调的是刺激的形式,"信息"一词强调的是刺激所包含的对动物生命活动有关的内容。动物不是对这种刺激本身的物质能量进行反应,不是对光的强度做出反应,或对光的热效应做出反应,而是对光中的图像做出反应,对光信号中的"物质能量的状态"进行反应,对图像中所包含的有用信息进行反应。但是,这些光刺激并未直接影响到动物的生命活动,动物是怎样知道这些光信号中所包含的信息的呢?

本文认为,动物实际上是根据记忆对这些信号刺激做出反应的。任何刺激都会留下痕迹,即使这些刺激不会影响到接收部位正常的生命活动。甚至这些记忆会被转录在动物体内的其它地方,通过神经系统,存放在被称为大脑的部位。在现代技术中,将一个情景、一个过程记录下来,是一件十分容易的事情。我相信,动物进化到某种程度,也会具有这种功能。但仅仅是留下刺激的痕迹是不够的,动物还必须留下对这些刺激反应的记忆,留下动物自身生命活动的记忆,或者是留下与信号刺激等效的物质能量刺激的记忆。由于它们是被同时记录下来的,这两方面的记忆必定存在着一定的关联,如它们可能被存放在同一个地方,或者它们之间可能存在着一种神经上的联络通道。当相同的刺激、相同的光信号再次出现时,这种信号不仅被再次记录下来,更重要的是,由于它与上次刺激相同,它可能更方便的顺着原来的记忆路径被再次输送到上次存放的地方,因此,上次的记忆被再次激活。不仅是刺激的记录被激活,而且,上次关于这一刺激反应的记录也被激活,或与信号刺激等效的物质能量刺激的记录被激活,因此,动物就做出了与上次相同的反应。

但是,动物第一次看到某种图像,以前并没有关于这种信号的记忆,动物是如何进行反应的呢?对第一次看到的图像,动物最多只会记录下该信号,并不会对这一信号做出反应。如果说有反应,也必定是在出现这一信号刺激的同时,也存在着直接影响动物生命活动的物质能量流动式的刺激。动物根据物质能量流动对其进行反应,并记下了这一物质能量流动刺激,或关于物质能量流动刺激的反应,而且同时记下了这一信号刺激。当动物再次遇到这一信号刺激时,即使与它等效的物质能量流动刺激并不存在,动物也能根据上次的记忆对其做出与上次相同的反应。例如,哺乳动物第一次吃奶时,决不会是一看到奶头的形状就知道它是可以提供奶水的。它可能是在母亲的帮助下,或在奶水气味的指引下,尝到了奶的美味,但它也同时看到了奶头的形状,因此,奶的滋味与奶头的形状被同时记录了下来。当动物再次看到奶头时,尽管没有奶的滋味,动物也能想起奶的滋味,并对其做出反应。

显然,具有信号反应功能的动物已能对不直接接触的"远处"的事物进行反应了,这种动物已具有了记忆、学习的功能。当然,动物对信号刺激的反应也是一种选择式的主动反应。

可以看出,大脑在动物的刺激反应过程中起到了至关重要的作用。尽管整个刺激反应过程是由动物整体做出的,但对信号刺激的记忆,对与信号刺激等效的物质能量刺激的记忆、或者是对信号刺激按物质能量刺激的反应的记忆,以及在这些记忆之间按动物的"生命原则"建立起某种联系,却是由大脑完成的。当同一信号刺激再次来临时,原有记忆的激活、按"生命原则"将与信号刺激等效的物质能量刺激的记忆激活,或将动物上次反应的记忆激活,并指挥动物身体的其它部分做出反应,也是由大脑完成的。即记忆和按记忆发出反应的指令都是由大脑完成的。生命动力所发动的按"生命原则"的反应,尽管由动物身体的所有部分相互配合进行,但其关键的部分却是在大脑这一特殊部位进行的。大脑就如同电脑中的CPU,是动物对信号刺激进行记录和反应的控制中心。

当然,动物对信号刺激的反应,能在何种程度上进行,还取决于动物所具有的接收信号刺激的能力,取决于动物内部传递刺激和反应的神经网络的进化程度,取决于记录刺激和控制反应的大脑的进化程度。有些动物只能接收某一两种信号刺激并对其做出反应,而有些动物却能对更多种类的信号刺激做出反应。如果神经网络不够强壮,或记录刺激和反应的大脑的存贮空间有限,"内存"不够大,则动物对信号刺激的反应也就只能是简单的几种反应。另外,有记忆也就必定有遗忘,遗忘可能是大脑中的自发熵增造成的。只有那些与动物生命活动联系密切的记忆,或经常使用的记忆,才能被长期保留下来。

显然,上述的关于动物对信号刺激反应的解释还是十分粗浅的,许多地方还需进一步细化。动物这一物质能量系统为什么要具有这种特殊的信号刺激反应功能?为什么会具有这一特殊的信号刺激反应功能?在动物大脑中,信号刺激的记录与等效的物质能量刺激的记录之间的联系、或信号刺激的记录与对刺激反应的记录之间的联系是怎样建立起来的?当信号刺激再次到来时,原来的关于这一刺激反应的记录是怎样被激活的?在大脑这一特殊部位,生命动力这一自组织的物质能量流动是如何进行的?这一生命动力是如何发动一个符合生命原则的物质能量流动过程,并进而指挥动物身体的其它部分做出对信号刺激按物质能量刺激的反应?这些问题我们目前都是一无所知。我们只能说,由于偶然的机会,某些动物这一物质能量系统获得了这种功能,并且这种功能与这一物质能量系统的熵减要求相适应,它能够带来更大的熵减而不是熵增,能够使生命系统更易于生存,符合动物的"生命原则",不会使动物这一自组织的物质能量系统崩溃,而动物的生殖和遗传使动物的后代继承了这一功能,因而使得我们今天看到的这些动物具有了这一功能。

10、物质能量的体内贮存

除大脑和神经系统外,胃和消化系统的出现,贮存外界物质能量的结构的出现,也是具有信号反应功能的动物所必须的。具有信号反应功能的动物主要根据外界信号来获取远处的食物,获取它所需要的物质或能量,而不是仅仅根据它直接接触到的周围现有的物质能量分布来选择一个最佳的物质能量输入,但有用的信号并不是随时都有的,因此,动物必须贮存食物,贮存它所需要的物质或能量,以备外界没有食物时,动物体内仍能有一个不间断的物质能量流动,以维持一个稳定的生命动力。这样,动物的生存就不必苛求外界环境随时随地都要有符合条件的物质和能量。动物已将其生命活动所需要的、每时每刻都必须存在的物质能量的输入过程转移到动物体内进行了。当然,我们也可以说,胃和肠管的内部空间仍然是动物的外部,因为在这部分空间中,不发生动物体内、动物细胞内的那种物质能量流动。我认为,胃和消化系统至少是与动物的信号反应功能同时进化出来的,但也可能更早,不可能晚于信号反应功能的出现。

动物在其体内贮存脂肪,也是一种形式的能量贮存,在没有食物供给时,贮存的脂肪通过体内缓慢燃烧就能提供动物生命活动所必须的能量。但贮存脂肪与贮存食物不同,因为贮存脂肪的过程,也可以看成是动物生长的过程,脂肪本身就是动物身体组织中的一部分。

有些动物已进化到让人惊叹的程度,它已能在它的体外贮存食物。例如田鼠,挖开它的洞穴,我们会发现有专门存放食物的贮藏室。如果我们确认田鼠也只不过是一个物质能量的流动系统,我们就不得不为此惊叹。自组织的物质能量流动系统由主动选择物质能量的输入,进化到在其体内、甚至在体外贮藏其物质能量流动需要的物质能量,不能不说是生物进化、自组织的物质能量流动系统进化过程中的又一次里程碑式的飞跃。

11、由选择物质能量到寻找物质能量

有人会说,眼睛的主要作用是看清了前进的道路,不至于使动物掉下悬崖或陷入泥潭,动物寻找食物主要靠嗅觉。但动物是怎样知道眼前的地面是能够立足的呢?当然还是记忆。动物一出生就站立在这样的地面上,因此,它记住了这种图案的地面是可以站立的,是对它的生命没有威胁的。的确,看清前方的道路是眼睛的一个主要功能。但动物为什么要向前去而不向后退呢?是前方有食物的光信号吗?

如果动物主要是根据远处的食物信号来进行反应,获取食物,而不是根据它所直接接触到的物质能量流动来选择一个最佳的运动方向以获取最佳的物质能量输入,但食物信号并不总是存在的,在四周长期均没有食物信号时,动物就不运动了吗?动物就等待死亡吗?显然,动物必须由选择食物进化到主动寻找食物,这是具有信号反应功能的动物所必须的功能。如果主要依靠食物信号来获取食物的动物不同时进化出这种主动寻找食物的功能,这种动物就不能长期生存,我们今天也就不能看到这种动物。自组织的物质能量系统从主动选择物质能量的输入进化到主动的寻找它所需要的物质能量,也是自组织的物质能量系统进化史上的一个重要事件。主动寻找食物,表明了动物已具有了自主的"意志"。

动物为什么要产生寻找的行动呢?是动物饥饿了,是物质能量的输入不足。动物的大脑不仅要能感应外界输入的信号刺激和直接接触的物质能量刺激,还要能感应内部的某些物质能量流动的进程,当物质能量的输入不足时,指挥动物去主动寻找食物。实际上,与其说饥饿感来自于动物的内部,还不如说是来自于动物的外部,胃中的空间也可以看成是动物的外部空间。但饥饿就要产生寻找的行动吗?动物的行动,是动物知道只有通过行动才有可能获得食物,这可能是在动物出生第一次对食物信号做出反应时就已经记住了的,因为那次尽管有食物图像或食物气味的吸引,但它也是通过行动才获得了食物。当然,动物寻找食物,判断首次看到的新图像是不是食物,的确主要是依靠嗅觉,眼睛在寻找食物的过程中仅仅是起了看清道路的作用。具有眼睛的初级动物,可能主要是以这种刺激反应方式生存的,其眼睛的功能可能主要是看清前方的道路。这类初级动物不具有更多的信号反应功能,可能主要是因为大脑的容量有限。

但是,即使动物要主动寻找食物,要主动出击行动,在四周都是无用信号或噪声信号的情况下,动物为什么会选择向前走而不是向后退呢?我认为,这是由动物外表的不对称结构决定的。显然,前方的道路是看清楚的,是安全的,是可以前进的。如果动物能看见所有方向,则动物也就无法对它主动前行、寻找食物的方向做出选择。另外,动物的运动器官也决定了向前运动要比向后运动方便。

前面已指出,即使是不具有信号反应功能的动物,其接收到的直接影响其生命活动的物质能量流动刺激也与动物表面的形状、"质料"等因素有关。外表处处相同,没有任何差异的动物只能对外界的差异做出选择,而当外界没有差异时,就无法做出选择,只能被动的接收外界的物质能量的输入或输出,此时,这种动物就与植物相差不多。单个细胞就是通过整个细胞膜来吸收营养的,动物的单个细胞也是这样。当动物的外表不对称时,动物就能在处处相同的外界环境中人为的制造出不同来。

12、动物的本能行为和按记忆反应的行为

动物对有些信号刺激的反应,特别是低级动物对信号刺激的反应,会不会是动物的本能,是先天就有的,是动物一出生就会的?我认为,低级动物由于信号刺激的接收器官有限,神经系统不够健全,大脑的存贮容量不大,它们能有的信号刺激接收和反应功能不会太多。除了看清前方的道路外,低级动物能够反应的其它的眼睛接收到的信号不会太多。但这并不是说低级动物对眼睛接收到的光信号的反应是它的先天本能。动物在刺激反应过程中的本能式的反应,应该仅是指对直接影响动物正常生命活动的、物质能量流动或物质能量流动差异式的刺激的反应。例如,当我们不小心接触到发烫的物体时,我们会不由自主的将手收回来。公鸡在天亮时鸣叫,可能是光线的强度对公鸡的生理活动产生了影响,是公鸡对光线强度的一种反应,而不是公鸡对光线中所包含的不影响其生命活动的信号所做出的反应。飞蛾扑灯,是因为飞蛾的生理过程需要灯的光强或热量,可能飞蛾的体内仍进行着与植物的光和作用类似的某种光反应。

应该说,动物,包括我们人类,在婴幼儿时期,甚至是在刚出生的几个小时内的记忆,对于它以后的行为,是非常重要的,这个时期的记忆决定了它成年后的大部分行为,特别是对大脑贮存记忆的容量有限的低级动物更是这样,尽管动物已具备了接收并记录这些新的、有用刺激的生理结构。这种动物可能仅对刚出生时记录下来的信号刺激进行反应。这容易给人造成误解,以为这些低级动物的对图像信号的反应是一种先天的本能,而不是根据记忆的反应,不是后天通过学习获得的行为。动物刚出生时第一眼就看到了地面是可以站立的,因此,动物记住了这一点,并在以后会毫不犹豫的站立在地面上。这不是动物的本能,尽管动物不得不站立在地面上。动物在刚出生时就获得的对于某种信号刺激的记忆和对这种信号刺激的反应,不像动物成年后获得的对某种信号刺激的反应功能,如巴甫洛夫的狗对铃声的反应那样,有一个反复学习的过程,因而极易让我们认为这是一种先天的本能。动物刚出生时就记住的事情,对动物来说可能是印象深刻,以至于就像是一种本能。一个人在童年时期的经历,会决定这个人成年后的性格,由于它是在人的童年时期就形成的,在成年后不易变化,看起来就像是先天的本能一样。同样,人和动物在地面上站立和行走,也应该是后天获得的行为,只不过这些后天获得的行为可能在人和动物出生后不久就学会的,并且,大脑对这种行为的指挥似乎根本就不需要时间。动物学会在地面上行走,鸟学会在空中飞翔与人学会游泳,学会骑自行车是同一性质的事情。

当然,动物对信号刺激的根据记忆的反应也必定与动物的生理结构和生理过程有关,受到生理结构和生理过程的限制。我们以啄木鸟啄开树皮,啄食藏在树皮下的虫子为例来讨论这一问题。我认为,啄木鸟第一次啄开树皮啄食虫子,肯定是偶然的,或者是在虫子气味的引导下进行的,或者是看到了别的鸟啄开了树皮吃到了虫子而学来的,这决不是先天就会的。啄木鸟偶然啄开树皮发现了虫子,或看到了别的鸟啄开了树皮啄食虫子,啄木鸟记住了这一过程,学会了这一捕食技巧。但是,啄木鸟善于啄开树皮去寻找虫子,而别的鸟类却不经常这样作,是因为啄木鸟喙的生理结构与别的鸟类不同,它具有较强的敲击能力而不会感到不适。其它鸟类却不行,即使其它鸟类也知道啄开树皮能发现虫子,但它们也知道啄开树皮会使自己的喙受伤,因此,它们会修改原先的记忆,不再去啄树皮。青蛙对活着的昆虫、对在空中飞动着的昆虫感兴趣,而对死去的昆虫不感兴趣,这是一种本能呢,还是后天学习形成的习惯?我认为,青蛙嗅到了死昆虫所散发的食物气味、或青蛙尝到了死昆虫的味道,不会不认为这就是它所需要的食物。但当青蛙那潮湿的舌头粘上死昆虫时,也同时粘上了更多的它不能食用的砂土,或它那薄薄的舌头被细枝或尖刺划伤了。青蛙记住了这一切,因此,青蛙不会再去粘食不动的昆虫。猫逮老鼠是猫的天性,猫之所以喜欢老鼠可能是猫对老鼠肉的滋味有特别的喜好。猫虽然是食肉动物,但猫不可能去袭击牛马这样的大型动物的,即使猫也喜欢牛马肉的味道。这并不是猫的天性,而是它根本就无法"拿下"这些大型动物。曾有过"鼠王"吃掉小猫的报导,这说明老鼠怕猫并不天生的。

不可否认,有些动物的有些特殊行为可能是由动物的基因确定的,是一种先天的本能。动物的基因不仅确定了动物体的结构,而结构制约了动物的行为,而且,基因也可能直接确定了动物的一部分行为。例如,蜘蛛结网、蜜蜂筑巢,显然不可能是后天学来的。蜘蛛结网可能是一种先天的本能,当网上第一次粘住昆虫后,蜘蛛对网振动的反应也可能是一种本能的反应,这种本能导致蜘蛛去修复它的网,但同时,蜘蛛也发现了一顿美餐。这样,网的振动与食物联系了起来,并留下了记忆。母鸡孵蛋,是一种本能的行为。母鸡是通过眼睛认出了蛋是它要孵化的吗?我认为,母鸡首先是通过身体的感觉认出了蛋,因为蛋是它生的,然后,母鸡看见了蛋,因此,蛋的视觉图像才与母鸡的孵蛋本能在母鸡的大脑中产生了对应关系。此后,即使我们将鸡蛋偷换成鸭蛋,母鸡也会把鸭蛋当成是它生出的,并给予看护和孵化。

动物的基因到底在多大的程度上决定了动物的行为?动物的那些行为是由基因决定的,那些行为是后天学来的?这一问题还需深入研究。我认为,基因直接确定的行为是由动物的生理结构、生理过程所决定的,是在某一个生长阶段必定发生的行为,是同类动物中每个动物都会具有的行为。但动物后天学来的行为,动物对信号刺激的反应,却是可以改变的,动物对信号刺激的记忆是在不断的进行着修改。因为信号是可变的,不是固定的。我曾看到过鸡吃雪粒的过程。冬天第一次下雪,由于天气寒冷,落下来的是一颗一颗的雪粒。开始时,鸡以为是食物,便不停的捡食,但后来,鸡发现上当了,就不再捡食,即使我们撒下白色颗粒状的食物,鸡也不再捡食。

对于生物、特别是动物来说,基因究竟有那些作用呢?首先,基因决定了生物的生理结构。其次,基因决定了生物的生长发育过程。有些昆虫,先是由虫卵发育成爬行的蚕虫,再作茧自缚,最后蜕化成蛾,显然,这一过程是由基因预先确定的。第三,基因确定了动物的一部分行为,如蜘蛛结网、蜜蜂筑巢,公鸡打鸣,母鸡下蛋。动物还有一部分行为是后天通过学习所获得的,但动物的结构、或者说动物的基因制约了动物的这部分行为。基因的这些作用,是如何实现的,现有的生物学已进行了一定的研究,但我们关于这些问题的认识,可以说基本上仍是一片空白。

在动物的大脑中,有没有先天就贮存了一些视觉图像或听觉信号呢?动物一看到这一图像的物体,就能认出它是可以吃的,或它是需要孵化的?我对此是持否定态度的。也许有一天我们能读出刚出生的动物大脑内预存的图像,那时就可证明我的观点的对与错。如果动物大脑内有预存的图像,那肯定是后天获得的功能或特征能够遗传给下一代,我们追根求源,第一张图像肯定是后天获得的,而不可能是上帝画在该类动物始祖的大脑中的。但拉马克的后天获得的功能能够遗传这一进化观点已经被多数进化论学者抛弃了。我更偏向于相信,田鼠在体外贮藏食物,是田鼠后天通过学习获得的行为,而不是先天遗传的行为。不论田鼠是自己后天创造了这一行为,还是从同类那里学到了这一行为,田鼠都已认识到贮藏食物的好处。

我认为,在有些生物学家那里,基因作用被不恰当的夸大了。似乎基因是万能的,凡是我们解释不了的现象,都被说成是基因确定的,基因就如同生物的上帝,它决定了生物的一切。这实际上是一种不负责任的作法,是一种对问题的逃避。甚至有人还给基因赋予了许多像"目的"这样的神秘属性,例如说基因是自私的。的确,基因决定了生物的结构和遗传特征,决定了生物生命活动的过程和形式,但我们并不能因此就不再深入研究生物的具体结构,不再深入研究生物具体的生命过程。生物的许多属性,只有通过其具体的生命活动过程才能表现出来,尽管它们也是由基因确定的。说基因是自私的,就如同说结构是自私的一样。但"自私"就像生物生命活动的"目的"一样,实际上是发生在这一结构上的过程所表现出的某些特征,是我们对这些过程的一种看法。

   13、动物是如何认识空间和时间的

   信号刺激实际上也是物质能量分布的变化,尽管这些物质能量分布状态不会直接影响到动物的正常生命活动。一成不变、处处均匀的物质能量分布无法传递不同的信号。物质能量分布可以分为物质能量在空间不同方向上的分布和物质能量在时间中不同时域的分布两类,前者可以称为空间信号,后者可以称为时间信号。眼睛接收到的光线强度或颜色在不同方向上的分布可以看成是二维空间信号。但光强也使人感受到信号的远近,使人能接收到三维空间信号。当然,两只眼睛的视差也能使人感受到第三维的存在。我不知道有没有一维的空间信号,或者说,有没有这种动物,它只能接收一维的空间信号,并对其做出反应。如果有关于一维信号的接收反应功能,则这种反应也只能是一维的,动物只能做出前进或后退的选择。时间信号是存在于时间序列中的物质能量分布的变化。可以认为时间信号是一维的,只不过这种一维的信号"一去不复返"。显然,听觉所接收到的声音信号是时间信号,声音的强弱变化、音调的频率变化均构成了时间信号。当然,空间信号不仅仅只是眼睛接收到的光信号,候鸟长途迁栖时是通过地磁来定位的。即使是光信号,有些动物是色盲,只能接收到光强的变化,而有些动物却可以接收到人的可见光以外的红外光或紫外光。同样,时间信号也不仅仅是耳朵听到的声音信号,第三维的空间信号、即图像远近的感觉也许能看成是时间信号,因为它能告诉动物食物有多远,需要运动多长的时间才能得到食物。更广泛的时间信号是物质能量空间分布随时间的变化。

在动物进化的历程中,是首先具有了空间信号的接收反应功能,还是首先具有了时间信号的接收反应功能?我认为,尽管时间信号看起来相对简单,只有一维,但对空间信号的反应却比较容易,这种反应就是仅仅选择一个空间运动方向,与初级或原始动物选择一个物质能量输入的最佳方向完全一致。但对时间信号的反应却比较复杂,因为这不仅仅是选择一个运动的方向,而是要选择一个与时间有关的过程。因此,动物可能是首先进化出了空间信号的接收反应功能,而后才进化出了时间信号的接收反应功能。昆虫可能只有空间信号的接收反应功能,而无时间信号的接收反应功能,至少,昆虫不会对声音信号做出反应。只有进化到一定程度的高级动物才具有时间信号的接收反应功能。

高级动物为什么要对与时间有关的过程做出选择呢?动物的反应不就是对物质能量流动的差异、或包含有物质能量分布差异的信号做出选择吗?动物的反应不就是选择一个运动的方向吗?显然,当动物具有了贮存食物的胃和消化系统,将物质能量的传输和集中完全转移到动物体内进行后,动物对外界刺激的反应,就完全可以超出关于运动方向的选择了,动物已不必每时每刻必须做出选择了,动物已完全可以从容的选择"等待"了。当然,低级动物也不是每时每刻都在对外界刺激进行反应,但是,低级动物的休息是由其生理过程决定的。高级动物也会按其生理过程要求而休息,但高级动物的等待却不是由其生理过程决定的,而是它做出的一种选择,是对时间信号刺激的选择式的反应,是对外界事物发展进程根据记忆和经验所做出的一种决断。我认为,根据当时的外界情景做出"等待"的选择,是高级动物对时间信号刺激反应的一个最明显的例证。

巴甫洛夫曾以狗为例研究了高级动物的刺激反应形式,并将动物的刺激反应区分为无条件反射和条件反射两类。巴甫洛夫认为,无条件反射是动物先天具有的、比较简单的对刺激的反应,如把食物放在口内,口内就会分泌唾液等。条件反射是动物在无条件反射或已经十分巩固了的条件反射的基础上,通过后天的学习、通过经验的积累所新形成的、且容易变化的对刺激的反应。例如,狗对铃声本来无任何兴趣,但在每次喂食前,先敲出铃声,则经过一定时间的训练,即使没有食物,只出现铃声,狗也会以为有食物要送来,并分泌出唾液。那么,狗看到食物的形状时,假设只看到形状,而没有嗅到食物的气味(当然,狗的嗅觉很灵敏,但其它动物可能具有这种情况),狗也会认出这是食物,并分泌出唾液,这种反应属于条件反射还是无条件反射?显然,巴甫洛夫的无条件反射一部分对应于本文所说的动物对物质能量形式的刺激的反应,对应于动物的先天本能行为,但也有一部分对应于动物对信号刺激的反应,特别是对空间信号,即图像信号的反应,这种反应可能是动物出生后不久就学会的。巴甫洛夫的条件反射对应于本文所说的动物对信号刺激的反应,但却是在动物出生以后很久才学会的,是比较复杂的对信号刺激的反应。而狗对铃声的反应,显然就是动物对时间信号的反应。狗不仅在铃声和食物之间建立起了对应关系,而且,狗已知道铃声过后,就是食物,狗已认识到这是一个有规律的先后顺序过程。

显然,这里的动物已能认识空间和时间,已能认识状态和过程了,自组织的物质能量系统已具有了认识空间和时间、认识状态和过程的能力了。动物认识过程的能力在高级动物捕食低级动物的过程中表现得淋漓尽致,它们在捕食的过程中使用了令人叹为观止的种种技巧,例如,隐蔽自己、等待时机、协同作战等。如果认为田鼠贮藏食物是田鼠认识过程的一种表现,这说明田鼠认识的过程,已经是相当复杂的过程了。

也许有人会认为,动物、甚至物质能量系统已"认识"了时间和空间,这种说法似乎有些勉强,我们人类关于时间和空间的本质,至今仍还在争论不休。我认为,通过人或动物所"表达的观点"来判断它们是否已认识了时间和空间,是不科学的,因为有时人或动物的表述可能是不真实的。判断动物是否具有某种功能,只能通过动物的行为,只能通过动物对外界刺激的反应。行为主义心理学已明确的强调了这一观点。如果动物根据外界的信号、根据当时的情景做出了等待的决定,我们就完全可以说,该动物已经"认识"了时间、"认识"了事物发展变化的过程。如果动物除因生理要求而休息外,每时每刻都在选择空间中的一个方向,则这种动物就只是"认识"了空间,"认识"了外界的物质能量状态;而且,因为它选择了一个空间中的方向,它确实也就已经"认识"了空间。

14、细胞的分裂复制和生物的生殖

到目前为止,除了我们人所具有的特殊的认识世界、并改造世界的人与外界的相互作用外,我们已从物质能量流动的角度讨论了其它所有生物个体与外界的相互作用,讨论了各种生物个体对外界的刺激反应方式,讨论了发生在生物个体身上的各种物质能量流动及集中的形式。在讨论人所具有的特殊的对外界信息的反应之前,在讨论人所具有的特殊的生命动力之前,我们有必要对生命动力进行更深入的分析。

实际上,关于生物的生殖过程,生物学,特别是现代分子生物学已进行了详尽的研究。生物的生殖有无性生殖和有性生殖两大类型。单细胞生物,如细菌,常见的生殖方式就是无性的分裂生殖,即通过一个细胞分裂成两个细胞而进行生殖。实际上,在由多细胞构成的生物体内,也进行着这种细胞分裂,生物的生长发育正是通过细胞分裂来实现的。多数植物和动物体内的细胞分裂,是有丝分裂。我们知道,细胞由细胞膜、细胞质和细胞核构成,细胞核中有染色体,遗传基因就隐藏在染色体中。细胞进行有丝分裂时,染色体被复制,并平均分配到两个子细胞中。当然,除单细胞生物外,一般情况下,生物体内的细胞分裂并不产生一个新的生命体,它们并不脱离原生物体而独立存在,这种细胞分裂只是使生物得到进一步生长或更新。只有在特殊部位专门生成的细胞,才能脱离原生物体,并通过继续分裂生长成一个新的生命体。这种细胞被称为孢子,孢子脱离母体成为新生命的生殖方式叫做孢子生殖,这是一种无性生殖。一个细胞与另一个不同性别的细胞结合而构成一个新生命体的生殖是有性生殖。细胞中的染色体是成对出现的,在进行有性生殖时,细胞首先进行减数分裂,生成的精子或卵子中只有一半数量的染色体,然后,精子与卵子结合,合成的细胞中有一半染色体来自精子,另一半来自卵子。由于生物体内的任一细胞都具有全部数量的染色体,因此,只要条件合适,生物体内的任一细胞都能独立生长成一个完整的新生命体,这就是生物的"克隆"。同理,许多生物具有断裂生殖能力,从该生物体上断裂下来的任一部分都能重新生长成一个完整的新的生物体。由于每个细胞都具有决定生物性状的所有遗传密码或染色体,从每个细胞生长成的新生命体就传承了父辈的所有遗传特征,因此,生物具有相当的稳定性,除非在生殖的过程中,遗传密码由于某种原因被改写了,使生物发生了变异。而达尔文的"自然选择"选择了更有利于生物生存的变异,淘汰了不利于生存的变异,使生物的物种发生了进化。

可以看出,生物的生殖和生长都是通过细胞的分裂实现的,只不过用于生长的分裂出的新细胞不能脱离原生物体而独立成为一个新的生命。新的生命,实际上就是从生物体上脱落下来的一个细胞。新的自组织的物质能量流动,是由原来的自组织的物质能量流动分出了一部分作为原始动力而引发的。生物繁殖的动力,源于生物生长的动力,是生物个体的生命动力作用的结果。

当然,生殖并不能简单的等同于生长,从生物体上掉落下来的作为新生命的细胞是独特的,特别在有性生殖的情况下更是这样。自动诞生的作为新生命的细胞与生物体上的其它细胞有显著的区别,它是在一定的条件下,是在生物生长到一定的阶段才产生的,并且能自动的从生物体上通过一定的管道脱落下来。生物体内除自身生长和生存的个体生命动力外,是不是还存在一个独立的生殖动力?生物体内除存在一个使自身生长和生存的物质能量流动外,是不是还存在着另一个专门用于生物生殖的物质能量流动?这一问题也许需要专题研究,但我认为,这可能是不存在的,生殖只不过是生长的一种变异。生殖的能力并不是生物刚出产就有的,它与生物生长的程度有关。人与动物的生殖欲望也不是每时每刻都存在的,熊猫几乎就没有生殖的欲望。性欲是生物生长到一定阶段必然的生理反应,是由生物个体的生长决定的。无论如何,生殖与生长有着无法分割的联系。

也许,自然界会存在这样一种生物,它并不生殖,只是在不断的生长,而且它足够的强壮,能够抵御自身内部自发产生的熵增和外界输入的熵增,不会使它走向衰老和死亡,从它出生之日起,直到现在我们还能看见它的繁荣茂盛。

我们前面第4节关于生物生长的讨论,在这里原则上也是适用的,生物的生长也就是有序的增长,是特定的物质和能量的集中。但是,与其它有序系统相比,生物的生长要复杂得多,它是细胞的不断分裂和复制。细胞是能够独立生存的生命单元,尽管细胞的独立生存需要一定的外界条件。生物体实际上是由许多可以独立生存的生命单元组合而成,但这并不是简单的累加,不同的细胞或由细胞构成的不同组织承担着不同的功能。细胞是如何组成具有一定结构的、各部分具有不同功能的生命体的,这一问题尽管分子生物学已进行了许多研究,但我们目前仍不是十分清楚。

关于细胞的分裂、生物的生殖,如何从物质能量流动与集中的角度给予解释呢?或者说,为什么生物这种特殊的自组织的物质能量流动和集中系统具有上述的分裂生殖功能,而其它自组织系统或有序系统就不具有生殖功能呢?例如,为什么贝纳德对流这种自组织系统不能自动分裂和复制呢?制冷机也是一个有序的系统,只不过维持这种有序或物质能量集中的动力是由外界提供的,是制冷机电源的电动势。但电源的电动势是始终存在的,为什么制冷机的制冷系统就不能自动复制或生殖呢?实际上,贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统不仅不能生殖,也不具有生物所具有的细胞分裂形式的生长模式。它们不能以自身的自组织的物质能量流动来引发另一个自组织的物质能量流动,那怕是与自己不同的另一种形式的自组织的物质能量流动。

也许有人认为,贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统太复杂,只能人为制造,自然界无法自动生成如此复杂的系统,更不要说自动复制或生殖这种系统了。但我认为,生命系统也许更为复杂。但是,这却给我们一种启示:构成生命系统的材料是由生命系统在自身生长的同时自动生成的,生物的生长就是这种材料的汇聚和合成,是具有特殊功能的物质的集中;而在贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统中,尽管也存在有序的增长,但却不能合成出构成这种系统的材料,这种系统中有序的增长只对应于能量的集中。例如,室内空调系统有序的增长是将室内空气中的热量集中到室外,贝纳德对流中有序的增长是高温水分子汇聚到向上流动的分子束之中。在这些过程中,不仅不能汇聚或生成构成这种系统的边界材料,如金属材料,也不能汇聚或生成这种系统的工作物质,如空气和水。显然,这是贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统与生命系统的一个显著区别。

贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统与生命系统的另一个明显区别是贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统不能在空间中扩张,它们均被限制在一个封闭的空间内,其有序的增长只是有限空间内的能量的进一步集中。而生物却能在空间中扩张,其有序的增长是有序系统体积的增大。由于体积不能增大,复制或生殖也就无法实现。

本文认为,生命系统之所以能复制和生殖,而贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统却不能复制和生殖的主要原因是生命系统内部的物质能量的集中状态和物质能量的流动是不均衡的。显然,细胞内部并不处处相同,而是具有一定的结构,细胞中有细胞质、细胞核。同样,宏观生命体也具有结构。在细胞或宏观生命体中,物质能量集中的结果,集中后的物质能量分布状态是不均衡的。不仅如此,更为重要的是,细胞质、细胞核并不是一个死的结构,在它们的内部还存在着物质能量的流动,而且,细胞质与细胞核中的物质能量的流动和集中过程也是不同的,不均衡的。细胞质中的物质能量集中,仅仅是细胞质的生长,而细胞核中的物质能量集中,却导致了染色体的复制,并最终导致了细胞的分裂。在贝纳德对流系统和制冷机的制冷系统中,能量的集中是处处相同的。空调制冷后,室内各处基本上是同一个温度。贝纳德对流中,向上流动的水分子束的温度要高于向下流动的水分子束,这里已出现了能量分布的不均衡,但这种不均衡的分布却是周期性排列的。

让我们来看一下晶体的生长过程。晶体的生长也是有序的增长,是构成晶体的分子或原子将自身的能量转移到别处的结果。因此,一般情况下,结晶过程是一个放热过程,结晶需要降低晶体周围环境的温度。显然,晶体的生长也是构成晶体的材料的汇聚,是同种分子或原子的汇聚,而且,晶体生长过程也伴随着晶体体积的增大。这些特征与生物的生长非常相似。但是,晶体内部各处却是处处相同的,晶体的结构是一种周期性的结构。而且,更为重要的是,晶体的内部并不存在一个物质或能量的流动,晶体是一个死的结构。晶体本身的有序状态的维持,完全依赖于外界的环境,如果环境温度升高,晶体就会解体。维持晶体有序状态的物质能量集中的动力并不像制冷机那样是始终存在的,更不是自组织的。因此,晶体尽管能生长,但我们却不把它当作生命看待,也不认为它能够生殖。

显然,我们这里对生物生长和生殖从物质能量流动和集中角度给出的解释,关于贝纳德对流系统和制冷系统以及晶体为什么不具有生物的生长和生殖功能的解释,是十分粗浅的。这里给出的生物与贝纳德对流系统、制冷系统及晶体的几个区别,也仅仅是物质能量流动和集中的形式上的区别。关于这一问题,还需要我们进一步研究。

15、微观生命动力和宏观生命动力

我们知道,细胞是能够独立生存的最小生命单元,只要条件合适,细胞就能继续长大,并产生分裂,因此,可以认为,细胞这一微观的生命系统已具有了生命动力。我们把细胞中的生命动力称为微观生命动力,而将宏观的生物体所具有的生命动力称为宏观生命动力。可见,在生命系统中,生命动力具有不同的层次。

实际上,存在于各个细胞体内的自组织的物质能量流动,与存在于宏观生物生物体中的自组织的物质能量流动是同一股物质能量流动,最多,这股物质能量流动在细胞体内多了些微循环。当细胞生长到一定的程度时,由于细胞内部的物质能量流动分布的不均衡,细胞就会分裂,产生或引发一个新的微观的自组织的物质能量流动。如果这一新产生的细胞从原生物体上脱离出来,它就构成了一个新的宏观生命体,以它为初始动力,引发了一个新的宏观的自组织的物质能量流动。如果这一新产生的细胞中的微观物质能量流动与生物体中其它细胞中的微观物质能量流动并联或串联起来,则原有的宏观的物质能量流动系统就会生长。可见,宏观的自组织的物质能量流动只不过是微观的自组织的物质能量流动的串联或并联。

但是,这种串并联并不是简单的周期性排列,有些地方的串并联密度要高一些,而有些地方要低一些,从而使宏观生命体出现了结构,使宏观的物质能量流动出现了与微观的物质能量流动不同的功能或特征。整体大于部分相加。另一方面,细胞也具有一定的独立性,如果我们把细胞一个一个全部从生物体上割裂出来,把流经这一细胞的物质能量流动从流经整个生物体的宏观物质能量流动中分离出来,生物体有可能会死亡,流经生物体的宏观物质能量流动会解体,但细胞却不一定解体,如果将细胞置于培养液中,继续给这一细胞提供其必须的物质能量输入,则流经细胞的物质能量流动就能继续存在,这个细胞就能继续生存和生长,并继续产生分裂。

已经证明,在生物进化的进程中,首先产生了单细胞生物,而后才出现了多细胞生物。在偶然的情况下,一群单细胞生物聚集在一起,他们正好能组成一个相互协调的整体,他们之间的物质能量流动正好首尾相接或相互并联,形成一个宏观的物质能量流动,而且外界条件也与这一宏观的物质能量流动相适应,因此,一个多细胞生命体便诞生了。显然,多细胞生物比单细胞生物更加丰富多彩,他们可以组合成,或者说演变出更为多种多样的生物结构。可以说,由单细胞生物进化出多细胞生物,是生物进化进程中的一个非常重要的突变。

现在,我们看到的植物和动物都是多细胞生物。但我们知道,植物体和动物体中的物质能量流动有着实质性的差别,动物已具有了主动选择功能,动物不仅具有能使物质能量集中起来的物质能量流动,还附加有流密度矢量集中。动植物的这种区别是它们还未进化成多细胞生物的时候就已经存在了,还是在它们进化成多细胞生物后才出现的?或者说,单细胞生物、甚至于不具有一个完整的细胞结构、但已具有生命特征的一些DNA片段,一些能够产生生长并能复制自己的DNA片段,如病毒,它们是否也能区分成具有植物特征和具有动物特征两大类呢?这一问题可能需要我们进一步研究。我们知道,多细胞的植物和动物体内的细胞结构是不同的。我猜想,单细胞生物、甚至病毒,也能区分成植物式的和动物式的两大类。

16、个体的生命动力和群体的生命动力

下面我们将讨论某些生物群体所具有的特殊的"组织或社会"现象。对于具有组织和社会现象的生物个体和群体,对于某些生物群体所具有的特殊的群体生命动力,上述的细胞与宏观生物体之间的关系,微观生命动力与宏观生命动力之间的关系,给我们提供了一个类似的参照。

一些生物群体具有一种特殊的组织或社会现象,如蚂蚁、蜜蜂等。在蜜蜂王国中,有蜂王、雄蜂和工蜂,它们各司其职,协同合作,共同组成了一个组织严密的群体。这种严密有效的组织体系,使我们不得不认为,这一群体已具有了一个整体的生命动力,我们把这种生物群体所具有的生命动力称为群体的生命动力。群体的生命动力服务于生物群体的整体,而不是每一个个体。在群体生命动力的作用下,生物的一切活动,都应符合生物群体的"群体生命原则",它使得生物群体整体更有利于生存。显然,每个蜜蜂个体也具有自己个体的生命动力,当个体的生命受到威胁时,个体的生命动力就会起作用,促使生物个体避免威胁。但是,当整个群体受到威胁时,蚂蚁、蜜蜂的群体生命动力就会大于个体生命动力,某些个体就会为了群体的生存牺牲自己。

如果认为细胞中的微观生命动力与宏观生物体中的宏观生命动力是不同层次的生命动力,宏观生命动力中的物质能量流动是由微观生命动力中的物质能量流动的串并联构成的,则生物个体的生命动力与群体的生命动力就是不同指向的生命动力。个体生命动力的方向是指向个体自身的,生命动力的作用结果仅为个体自身生长并维持稳定,而群体生命动力是指向生物群体的,生命动力的作用结果却为群体的繁衍壮大和维持稳定。显然,细胞中的生命动力与宏观生物体中的生命动力之间并无矛盾,它们的"目的"是一致的。但个体生命动力与群体生命动力之间有时却会发生冲突,它们的"目的"有时并不完全一致。在蚂蚁、蜜蜂群体中,当冲突发生时,往往是群体的生命动力大于个体的生命动力,个体会服从群体,这也正是我们能看到明显的群体生命动力的原因。

显然,在这种生物群体中,不同个体之间的联系不像宏观生物体内不同细胞之间的联系那样紧密,它们虽然也构成了一个系统,但却是一个十分松散的系统。在生物体内,在不同的细胞之间,存在着宏观的物质和能量的流动。蜜蜂王国是靠什么将不同的蜜蜂联系了起来?群体的生命动力由什么构成?有没有物质的或能量的基础?或者,在整个群体系统中有没有物质或能量的流动?

至少,不同个体之间的物质能量流动是存在的,蜜蜂找来的食物,显然不仅仅是为个人的生存而准备的,还有绝大的一部分是为其它蜜蜂的生存而准备的。物质能量的流动,不仅只是在个体内部进行,还在群体中不同个体之间进行。正是这种群体中不同个体之间的物质能量流动,使我们不得不认为,还存在着一种群体的生命动力。

已经证实,在蚂蚁、蜜蜂这样组织严密的群体中,存在着一种承载联系信息的化学物质,蚂蚁、蜜蜂正是在这种信息物质的作用下,联系成一个有组织的群体,并控制着群体之间的物质能量流动。在蚂蚁行进的通道上,如果我们用能散发出气味的化学药品将通道阻断,改变通道上原有的蚂蚁的信息物质,则蚂蚁的行进就会受到扰乱。可见,在蚂蚁群体中,群体的生命动力的控制机制,有其物质基础,在群体之间,有一种特殊的物质或能量的流动,这种特殊的物质能量流动,控制着群体内部不同个体之间的、食物传递形式的物质能量流动。

在许多动物群体中,都存在着群体的生命动力,而且,群体之间的物质能量流动有时还是巨大的,只不过这种生命动力的控制机制比较微弱,通常并不表现出来,或者说,这种控制机制并没有通过相应的信息物质的传递来实现。例如高级动物中的"家族现象"。同一家族中的动物相互照顾,甚至相互喂食。至少,我们很少见到同类动物之间的相互残杀。更为明显的是,母亲给孩子喂奶,物质能量直接从母亲的体内流动到了孩子的身上。同一家庭的动物是通过什么方式联系起来的呢?可能它们之间有联系的信息物质,也可能它们相互认识,通过视觉器官认出了对方。但是,相对于蚂蚁、蜜蜂而言,这些动物群体之间的联系就更加松散,在它们之间的作为群体生命动力控制机制的物质能量流动更加微弱,生物个体的生存主要依赖于个体的生命动力而不是群体的生命动力,而且,个体的生命动力强于群体的生命动力。

可以认为,构成群体生命动力的物质能量流动,有两种不同的形式,一种是某种化学物质或信息物质在它们之间的传播,另一种是食物的转移。前一种物质能量流动控制着后一种物质能量流动。这两类形式的物质能量流动都是自组织的,都是由动物自己自发完成的,也就是由动物这种物质能量系统自行完成的。对蚂蚁、蜜蜂来说,这两种形式的物质能量流动都存在,但对高级动物来说,似乎只存在食物转移形式的物质能量流动。蚂蚁、蜜蜂中个体之间的联系机制、控制群体中物质能量流动的机制可能是物质的,即蚂蚁、蜜蜂之间通过具体的化学物质来联系。但高级动物之间的联系,高级动物之间的食物转移形式的物质能量流动控制是通过动物的行为,包括它们发出的声音来实现的。蚂蚁、蜜蜂群体中的物质能量流动是一个有机联系的整体,它可能只有唯一的一个控制中心,这就是蚁王或蜂王。但高级动物群体中的物质能量流动是分散进行的,群体中的物质能量流动的控制中心是各个动物的大脑。另外,蚂蚁、蜜蜂群体中的群体生命动力可能与个体的生命动力一样,是每时每刻都存在的,但高级动物间的群体生命动力却可能只在一定条件下、一定的时期内才存在,才表现出来。

在高级动物的活动中,除了为了自身的生存而不得不对外界的物质能量形式的刺激或信号形式的刺激做出反应外,除了主动的寻找食物或被动的接受刺激外,除了因生理过程的要求或限制条件的作用而休息外,除了生长、生存和生殖外,其它的一切活动都可归结为在群体生命动力作用下的活动,可以认为,这些活动都符合群体的生命原则。同类动物之间的嬉戏,实际上是在增强它们之间的联系,以便使它们之间的物质能量流动更为通畅。动物之间争夺族群的领导权,除了是在争夺生殖的优先权或独占权外,也可以看成是在争夺群体之间的物质能量流动的控制权。总之,除了因生理要求而休息外,动物的一切活动,不是在个体的生命动力驱使下产生的,就是在群体的生命动力驱使下产生的,不是符合个体的生命原则,就是符合群体的生命原则,除此而外,不可能有其它的原因或动力。动物的一切活动,都是有原因的,都是有目的的,由动物个体或群体的生命动力、动物的状态、外界的环境、以及动物以往的历史所唯一的确定。

是不是群体的生命动力比个体的生命动力更为高级?我认为,生命动力只有强弱之分,而无级别之分。如果生物之间的联系比较密切,不同生物体之间的物质能量流动大于个体内部的物质能量流动,则在个体生存和群体生存之间了生矛盾时,个体就会牺牲自己而保住群体。高级动物群体中的物质能量流动明显的小于个体内部的物质能量流动,但母亲有时也会舍命保护它的孩子,这说明,个体或群体的生命动力的强弱还与外界环境、生物体的状态等因素密切相关。

显然,个体的生命动力是自私的,它的目的就是使个体自身更有利于生存。但是,群体的生命动力却是利他的,它表现出了同类或同族生物之间的相互照顾,相互关爱。有人认为,生物都是自私的,它们的一切活动,都是为了自己。有一本有相当影响的书就叫做《自私的基因》。但我认为,这对生物有失公正。自私仅仅是个体的生命原则的外在表现,但生物群体中还存在着一个群体的生命原则。当然,对群体而言,群体的生命原则也是自私的,它的目的就是使整个群体能够更有利于生存。

群体的生命动力是否与生物的生殖有关,它是不是生物生殖动力的某种延伸?或者说,生殖的动力会不会也是群体的生命动力的一种表现?我认为,生殖的动力就是生物个体生长的动力,只不过生长出的这个细胞从原生物体上脱落下来,成了一个新的生命体。生命动力其实质就是物质与能量的流动,不同的物质能量流动就构成了不同的生命动力。因此,存在于生物体内部的物质能量流动导致了生物个体的生命动力,而存在于生物体之间的物质能量流动导致了群体的生命动力。但是,并不是任意的生物个体之间都能建立起这种个体之间的物质能量流动,只有存在着某种关联的生物个体之间才能建立起这种物质能量流动。显然,同一家族中的生物要比不同家族的生物间的联系更为密切,生物个体之间的物质能量流动更容易建立起来。不论怎样,群体的生命动力与生物的生殖之间有着密切的联系。

同个体的生命动力一样,群体的生命动力也不是不可解释的"神秘活力",而只不过是生物个体之间的物质能量流动,群体的生命原则也只不过是群体生命动力的作用结果,是群体生命动力的外在表现。许多动物并不显现出群体的生命动力,它们的生存与其它同类的生存无关。但是,像蚂蚁这样的低级动力却具有比高级动物更强的群体生命动力。另外,不同种类的生物之间也会出现"共生"现象,它们只有相互依存才能生存。所有这一切都说明,群体的生命动力并不是某种神秘力量的体现,并不是预先设计的,它们只不过是自组织的物质能量流动的另一种表现形式,即群体之间的自组织的物质能量流动。群体生命动力在生物群体中的出现完全是偶然的。自然界也许并不偏有爱生物群体,自然界也许会出现同一群体之间相互残杀、互以对方为食的情况。也可能出现在群体中不同个体之间的物质能量流动不是有利于群体的繁衍壮大,而是恰恰相反的情况,但这种生物群体可能很快就灭绝了。我们现在能够看到的,只能是群体中不同个体之间的物质能量流动有利于群体的繁衍壮大的情况。群体的"生存目的"同个体的"生存目的"一样,只是我们的一种看法,是这种形式的物质能量流动给我们所造成的一种感觉。

显然,相对于生物个体内部的物质能量流动,关于生物群体中个体之间的物质能量的流动,我们知道的更少,在这方面,还有大量的问题有待研究。

17、人所具有的特殊生命动力(一)

显然,人不能与动物相提并论,看看我们人类认识世界、改选世界的成果,看看我们的人类文化和人类文明,就可知道人与动物的差别有多么巨大。但是,自从达尔文的进化论发表以来,人们又似乎认为人与灵长类动物、如黑猩猩只是进化的程度不同,而没有质的差别。许多试图说明人与动物不同的观点都显得苍白无力,例如,人可以直立行走,人的大脑容量要大于其它灵长类动物,人能够制造和使用工具,人会思考,人能创造,等等。"人会思考,人能创造"这类观点比较含糊,难道动物就不会思考和创造吗?"人能够制造和使用工具",但已发现有些动物也能制造和使用一些简单的工具,例如,猴子就能用石头砸开坚果食用果核。的确,人可以直立行走,人的大脑容量要比其它灵长类动物大,但这就是将人与动物彻底分开的标准吗?

我认为,人与动物、与所有类型的生物有着本质的区别,这种区别就是人除了具有个体的生命动力、群体的生命动力之外,还具有一种高级动物、包括所有生物都不具有的特殊生命动力;在人体内的自组织的物质能量流动,还附加有一种特殊形式的自组织的物质能量流动;人的活动,除为了个体生存、群体生存、繁育后代这些"生物性"的目的外,还有超出"生物性"的目的其它目的。

人具有超出生物个体或群体生存目的的其它目的,这一观点可能容易被人接受。我们知道,动物的所有活动,都是由个体的生命动力或群体的生命动力唯一确定的。但是,人所做的许多事情,却可能与自己或某一个团体的生存无关,尽管更加美好的生活也是我们追求的目标之一。原始人的生存条件是十分艰苦的,他们的活动主要是为了生存。但是,我们在原始人的洞穴中,却发现了对他们的生存无任何帮助的岩画,在原始人制作的陶器上,也能看到美丽的图画。尼安德特人也是早期人类的一个分支,但他们却最终灭绝了。尼安德特人是如何灭绝的,至今仍然是一个迷,但在尼安德特人的洞穴中,尽管有许多遗物与原始人类相似,但却没有发现像岩画一类的艺术作品。原始人为什么要花费功夫创作这些对他们的生存无任何帮助的绘画呢?我们只能说,原始人的活动已具有了除生存以外的其它目的。

另一个让人沮丧的例子是人类有自杀现象。显然,自杀既不是个体生命动力作用的结果,也不是群体生命动力作用的结果。自杀不仅结束了自己的性命,也不是为了救护他人,或为了阶级、民族大义,为了全人类的利益,或为了探求真理而英勇献身的英雄行为。自杀的目的,纯粹就是为了结束生命,而不是以自身或群体的生存为目的。据说,著名作家海明威就是纯粹为了结束生命而自杀身亡的。但自杀者的死,也不是轻于鸿毛,它至少说明了,在人的身上,除个体的生命动力、群体的生命动力之外,还有一种违反生命原则的"生命动力"。当这一动力胜过了个体或群体的生命动力时,它就有可能置个体或群体的生存而不顾,甚至结束自己或同伴的生命。现在时常有一些鲸鱼或海豚"集体自杀"的报导,但我认为,所谓的"集体自杀",绝不是自杀,而是他杀。据报导,核潜艇放出的声纳可能会使海豚的听力受损,导致其失聪而"自杀"。

那么,人的活动所特有的目的究竟是什么呢?人所特有的生命动力的方向如果不是指向自身,也不是指向群体,那是指向何处呢?我认为,人所特有的超出生物个体或群体生存目的的目的实际上是"无目的",人类的这部分活动是盲目的,随意的。人所特有的生命动力并没有一个明确的指向,它的方向在不停的、随机的变化着。如果人的生命动力有一个先天确定的指向,则这个唯一的方向就会限制人的活动,人就不会具有只有人类才有的特殊的创造力。

当然,"创造力"这一术语有些含糊不清,尽管人确实具有非凡的创造力。让我们以一些更具体的事例来说明这一观点。许多人认为,人是一种"符号动物",人能够创造和使用符号,人类的许多活动都是"符号化的活动",即利用符号去创造人类文化和人类文明。德国哲学家卡西尔就是这一观点的代表人物,他的代表作《人论》就专门阐述了这一观点。显然,语言就是一种符号,物体的名称就代表了这一物体。但是,是不是只有人类才具有语言,这一问题还颇具争议。我个人认为,动物不具有语言。但是,让我们还是以一些更有"深度"的符号来说明这一问题。例如,人能从物体形状的感性认识中提炼出点、线、面这样的几何概念,人能从物体多少的感性认识中提炼出整数这样的数学概念。甚至,希尔伯特已建立起了几何的公理化体系,策梅罗等人已建立起了集合论的公理化体系。这些概念实际上都是符号,是事物更深层次属性的一种代表。动物能创造出这些深层次的符号吗?由于我们未能破解动物的语言(如果动物有语言的话),因此我们对这一问题无法给出明确的回答,但是,我相信,如果动物也能创造出这类深层次的符号,动物也就成了数学家或几何学家,动物也就能创造出与人类文明相媲美的"动物文明"。显然,创造符号是人类所特有的形为,能不能创造符号,是人区别于动物的一个显著特点。拿希尔伯特、策梅罗这样伟大的人物与动物进行比较,似乎对他们不尊,但正因为他们伟大,他们身上有人类的显著特征,我才不得不将他们拿来与动物比较。

但是,如果人的活动有一个先天就确定了的目的,人的生命动力有一个先天就确定了方向,人能创造出这种符号吗?先天的目的或生命动力的唯一指向就不会去限制人的创造活动吗?在唯一性的约束下,人能创造出如此丰富多彩、如此颇具深度的符号吗?动物为什么没有语言,就是因为动物的一切活动,都有一个先天确定的目的,动物生命动力有一个唯一确定的指向。

实际上,有些高级动物也具有一定的创造力,具有一定的认识过程、认识规律的能力,它们甚至能制造一些简单的工具。但是,动物所认识的过程,与它自身或群体的生命活动直接相关,与食物的获取直接相关,动物并不会关心与食物无关的过程或规律。因此,动物对过程、对规律的认识是受限的,因而也是有限的。但创造符号、创造语言却是与食物不直接相关的活动,人类创造出的符号并不直接与人类个体或群体的生存有关,并不直接与个体或群体的生命动力有关。也许动物会有所谓的"语言",但这种"语言"绝不是什么表示事物的符号,而只能是动物之间交流情感的信号,或是在向同伴传递食物或危险的信号。这种信号的交流,是一种在群体生命动力驱动下的行为,也是一种在群体生命动力约束下的行为。符号也是一种信号,但信号却不完全是符号。对动物而言,信号直接与动物的生命活动相联系,例如食物的图像,遇到危险时不由自主的叫声。但人类创造的符号却不一定与人的生命活动直接联系,它不仅是刺激信号的代号,也可能是符号的代号,是用一种符号来代表另一种符号。在先天目的的限制下,在有明确指向的个体或群体生命动力的约束下,动物是无法创造出与生命活动无关的符号的。

好奇心是人类所特有的生命动力的另一特征。正是由于人类的这种特殊的生命动力与他自身的生命活动无关,人类才对与人类的生存无直接关系的事情产生兴趣;也正是因为人类的这部分活动没有任何先天的限制,人类才能对任何未知的事情生产兴趣。好奇心导致了人类永无止境的探索。我们研究自然、研究宇宙,并不全是为了人类的某些自私的或实用的目的,而可能完全是处于好奇,完全是为了解除人们心中关于自然、关于宇宙的迷惑。数学家怀尔斯在证明了费尔马大定理后,说过这样一句话:"感谢上帝,这一定理无任何实用价值。"无实用价值不见得就是一种荣耀,但是,法国数学家让·迪厄多内的一本书的书名却就叫《当代数学:为了人类心智的荣耀》。人类对未知世界的好奇,也是在某种动力作用下的结果,这一动力,正是人类所特有的特殊生命动力。难道动物就没有好奇心吗?如果说动物也具有好奇心,那也只是对食物好奇,只是动物主动寻找食物的一种表现。但人类却还能对与人类个体或群体生存无关的事物产生好奇。

当然,创造符号并不是人类创造活动的全部,人类不仅创造了符号、创造了音乐和绘画,创造了人类文化;人类也抽象出了事物之间的关系,或者说理解了事物、符号之间的关系,人类对未知世界的探索和理解已发展成人类的现代科学;并且,人类还创造了神奇的工具,改造了世界,创造了人类物质文明。我们可以说,人类所具有的特殊生命动力实际上就是创造的动力、探索的动力。但是,人类所具有的这种生命动力却是盲目的,无确定指向的。人类的这些创造和探索活动,无先天确定的目的。正是由于没有确定目的的限制,人类才能进行创造和探索,人类才能理解自身和外部世界。

18、人所具有的特殊生命动力(二)

人们也许可以接受这里所讲的人类所具有的超出自身和群体生存目的的另一类目的,人类也可能具有一种特殊的生命动力,而且,甚至可以认可这种生命动力无确定的指向,人类的这些创造和探索活动无先天确定的目的,人类活动的特有目的实际上是"无目的"。但是,人们却难以相信人身上的自组织的物质能量流动具有与动物不同的流动形式。的确,这一点也许难以理解,但是,难道人类的这些创造活动、探索活动就不消耗能量吗?如果这些活动也要消耗能量,这种能量的流动还能与动物身上的物质能量流动相同吗?动物、包括所有的生物,其身体内的物质能量流动,其目的或产生的效果就是使生物个体或群体能够生长、生存,或使群体能够进一步繁衍壮大,就是增加或维持生物个体或群体的负熵值或有序化程度。但是,人身体内的物质能量流动,除产生这些目的或效果外,还能产生其它的目的或效果,能够提供,而且还是主动提供了人的创造和探索活动所需要的物质和能量,即自组织的提供了人的创造和探索活动的能量。显然,在人的身上,物质能量流动的目的、熵减的目的已经不是最主要的特征了,而物质能量流动的形式却上升为主要特征,因为人身上的这种特殊的物质能量流动,实际上是无目的的。尽管人所具有的特殊的生命动力不以自身或群体的生存和繁衍为目的,但这种动力的源泉却也是人体内的自组织的物质能量流动,因此,我们把这一动力仍然称为"生命动力"。同高级动物的群体生命动力一样,人所具有的这种特殊的生命动力并不是像个体的生命动力那样时时刻刻都存在,时时刻刻都在起作用,它只是在特殊的情况下才存在,只是在人的生存要求得到满足的情况下才存在。人所特有的生命动力只是在个体或群体的生命动力基础上所附加的另一种生命动力,人体内所特有的自组织的物质能量流动,只是在原来的自组织的物质能量流动基础上,附加的一种无目的的、特殊形式的、但也是自组织的物质能量流动。

也许,人身上的特殊的自组织的物质能量流动就隐藏在人的大脑中,在大脑以外的其它地方,人身上的自组织的物质能量流动与动物身上的自组织的物质能量流动可能并无差别。我们知道,大脑是人或动物对外界刺激、特别是信号刺激进行反应的控制中心,大脑是个体的生命动力、个体的自组织的物质能量流动的控制中心。在高级动物中,大脑也可能是群体生命动力、群体中的自组织的物质能量流动的控制中心。因此,大脑也必定是人所特有的创造和探索动力的控制中心。如果有一天,科技已发展到能够具体的描述大脑中的自组织的物质能量流动的控制机制,也许我们就能清楚的看到人所特有的物质能量流动与动物个体或群体的物质能量流动的区别。自杀者可能是一种偏执狂,自杀和谋害别人的犯罪行为实际上是一种精神病。这种精神病可能就是人的大脑中这部分特殊的物质能量流动出现了问题。

如果人与动物的差别就是大脑中某些微观的物质能量流动的差别,这种区别不像不同动物间的外部或内部器官之间的差别那样"巨大",难道其它动物就没有进化出这种物质能量的流动形式吗?据说,海豚的智力与人相差不多,田鼠贮藏食物的行为也让人惊叹。如果海豚也具有人才具有的特殊生命动力,海豚为什么没有充分展现出来呢?是因为海豚没有手,无法将它的创造和探索变成现实吗?我认为,没有手也许是一个原因,但不是主要原因。如果海豚也具有人才具有的特殊生命动力,但却没有充分展现出来,原因也许是海豚的大脑贮存容量有限,它没有足够的内存来进行似乎是永无止境的创造和探索活动。如果动物没有大脑,它可能就根本无法产生人才具有的特殊生命动力,因为与这种生命动力相联系的物质能量流动,只是在大脑这一信号反应的控制部位才与其它形式的物质能量流动不同。

海沦·凯勒的故事经常被人引用,她曾经发表过著名的《假如给我三天光明》的言讲,但她却是一位从小就失去视力和听力的人。但还好,她的皮肤可以感触到事物的存在,她的老师通过在她的手上画写事物的字母来教给她各种事物的名称。终于有一天,海沦突然间明白了老师在她手上有规则的画写与她同时接触到的物体之间的对应关系,例如水的英文字母"Water"与她同时所感觉到的水之间的对应关系,她完全理解了事物与表示事物的符号之间的对应关系。动物即使不瞎、不聋,能理解在它身上有规则的画写与它同时看到、听到或感觉到的事物之间的对应关系吗?这个故事也说明,视觉、听觉等人和动物共有的信号接收能力对于人所特有的创造力、理解力来说,不是必须的。在这里,真正起作用的是大脑,是大脑中微观层面上的人所特有的物质能量流动。

海沦让人惊奇的地方还不止这点,她不仅能理解她所感觉到的事物的符号,还能理解她无法通过皮肤感觉到的事物,例如色彩、声音,例如"假如给我三天光明"中的"光明"一词的含义。海沦从小就失去了视力,她是如何理解"光明"一词的含义的呢?海沦对"光明"一词,只能通过事物之间的联系来理解,只能通过符号之间的关系来理解。例如,她可能是通过理解"光明"一词与"太阳"一词的因果关系、"光明"与"眼睛感觉"的因果关系、"光明"给人的行动所带来的便利、"光明"使人的心情变得舒畅等,从而理解了"光明"一词的含义。而理解符号之间的关系,理解符号的代号、即符号的符号,只有人才能做得到,只有超脱了确定目的、确定方向的人所特有的创造力、探索力才能做得到。人的大脑中的思维,在很大程度上是在符号的层面上进行的,而不是像在动物那里,只在感觉的层面上进行。人所理解的关系,是高度抽象的符号之间的关系,而不仅仅是不同感觉之间的关系。人对过程、对规律的理解,与动物在感觉层面上的对过程的理解、对周期性出现的事件的规律性的理解有着质的区别。人能进行理性思维,而动物只能进行感性思维。

本文关于动物和人在大脑中所进行的对信号刺激的反应的解释,显然只是一种猜想,但有两点是可以肯定的。一是动物和人对信号刺激的反应,对空间信号和时间信号的反应,不是对刺激本身的物质能量进行反应,而是对物质能量的分布状态进行反应,对物质能量密度标量的分布状态或对物质能量的流密度矢量的分布状态进行反应,包括对这种状态在一定时期内的变化的综合反应,甚至是推迟进行的反应。二是人类对物质能量分布状态的反应,对信号刺激的反应,人的行为,是随机的,偶然的,无明确指向或目的。这与量子力学中的微观粒子行为的不确定性似乎有些相似,它们之间有无关联我们现在还不清楚。

19、人类知识的来源(一)

人类的知识来源于何处呢?显然,这个问题,包括我们后面即将讨论的人类伦理道德等观念的来源问题,都是宏大而艰深的哲学问题。但是,如果这些问题不能彻底的解决,我们关于生命的物理学解释也就不是完全彻底的解释,前面所述的生命解释的"机械论"者的宏伟构想至少在原则上就无法变成现实。

上一节我们强调了创造和使用符号是人类理性思维活动的一个主要特征。人类的思维,不是简单的对接收到的感觉信号进行裁剪、粘贴、分类、替换等操作,尽管人也会进行这种感性思维。人类的思维,更重要的是将这些感性材料转换成符号,并对这些符号进行加工。这种创造符号、并对符号进行加工的过程实际上就是由具体上升到抽象的过程。人类的符号思维,不仅仅是给具体事物命名,给事物给出一个代码。创造出事物的符号只是符号思维的低级形式。人已经能理解不同事物间的关系,理解关系本身,抽象出一个大量事物所共有的关系,而不仅仅是认识和区分不同的事物。符号思维的高级形式是由大量的具体抽象出一般的过程,是由大量的个性归纳出共性的过程,是根据大量的经验而认识事物间关系和规律的过程。这些思维过程,实质上也是一种符号化的过程。个性不同于共性,具体不同于一般,"白马非马",具体还具有一般所不具有的特征,这些特征将一个个不同的具体事物区分开来。从众多具体事物中抽象出一般,从个性中抽象出共性,就是一种符号化的活动。实际上,某一共性就是某一类具体事物的符号化,是这个类别的符号化,某种关系就是大量事物间的同类具体关系的符号化,某条规律,就是大量事物的同类变化过程、同类物质运动过程的符号化。人类的这种高级形式的符号化过程,就是用逻辑的或历史的观点进行分析、综合、演绎、归纳过程,是理性思维的过程。

我们知道,矛盾是事物间普遍存在的一种相互关系。但是,在汉语中,"矛盾"一词并不是一诞生就专门用来描述矛盾关系的,它实际上是从"一个人卖矛又卖盾"这个成语故事中演化出来的。同样,"因果"一词中也借用了植物果实来描述因果关系中的结果。但像"上下"、"先后"、"好坏"等词汇,却是从诞生起就是专门用于描述上下、先后、好坏等关系的。这说明,人们认识"矛盾"这种复杂关系,人们抽象出"矛盾"这类复杂的概念或符号,不是一件直接的或容易的事情,它经历了一个过程。不同的民族使用不同的语言,不同的民族创造出了不同的事物符号系统,也抽象出了不同的"事物间的关系系统"。在有些语言中可以用专门的词语来表达的关系,在另一些语言中却不一定有对应的专用词语。例如,汉语中的"逻辑"一词,就是外来词。但这并不等于说古代中国人在说话办事时不讲逻辑。逻辑关系是客观存在的,只不过我们的先人没有从众多的事物间的关系中,抽象出逻辑关系,至少是没有抽象出一个完整的形式逻辑系统。这从另一个侧面说明,矛盾关系、逻辑关系的确是从大量的具体事物间的具体关系中抽象出来的。而"矛盾"、"逻辑"这些符号表明,人们抽象出矛盾关系和逻辑关系的过程,也是一种符号化的过程。不仅"矛盾"、"逻辑"等词语是符号,更重要的,矛盾关系和逻辑关系也是符号,是对具体存在的大量的事物间的矛盾关系和逻辑关系的一种表示或描述。

实际上,我们对某一具体事物的认识,也是关于该事物与其它事物相互关系的认识。海沦对"光明"的认识,就是通过"光明"与其它事物间的关系来获得的。关于"光明"与其它事物的相互关系认识的越多,我们对"光明"的认识也就越全面、越深刻。当然,要区分出某一具体事物,如要区分太阳与月亮,我们可以直接用手来指它,但这也是关于太阳或月亮与其它物体之间的相对位置关系。许多情况下,只需指出事物的一个显著特征,即该事物与另一事物或另一类事物的一个相互关系,就可唯一的确定该事物,这就是关于该事物的定义。但定义也是关系,定义也是判断。我们首先是认识了某一事物与其它事物间的相互关系,从而才认识了该事物。我们首先是有了关于事物的一些判断,然后才有了关于该事物的概念。关系的确立先于完整概念的确立,判断的确立先于完整概念的确立。概念或观念是关于该事物所有关系或判断的总和。事物的名称是事物的符号,但关于该事物的概念,却是该事物与许多其它事物之间相互关系的符号,是对该事物与许多其它事物相互关系的总结或概括,是对该事物与许多其它事物相互关系高度抽象后的产物。提炼出事物概念的过程,也是由大量的具体抽象出一般的过程,特别是对具有复杂内涵和广阔外延的概念更是这样。本文提出的三种生命动力,不管它是否严格成立,但也是作者本人对各种生命现象进行抽象归纳的结果,是符号化活动的结果。"三种生命动力"一词就是抽象出的符号。

20、人类知识的来源(二)

但是,人类的理性思维,人类对事物的符号层面上的理解,人类对事物抽象关系的理解,其原始材料却仍然来自各种感觉,来自于我们的经验。如果又聋又瞎的海沦也不具有皮肤的感触能力,与外界世界完全隔离,她感觉不到事物,她还能理解事物吗?她还能理解事物符号的含义吗?她还能进一步理解事物之间、符号之间的关系吗?

康德认为,在人类的理性中,存在着一些先于经验的观念,先天就存在的观念。观念是关于某类事物认识的总体概括。时间、空间这样观念,实际上是对物体间的位置关系、事件的先后顺序关系进行高度抽象概括形成的。但康德认为,人们的时空观念、包括因果关系等都是先验的,人们用这种先验的观念来梳理人们对物体运动的各种经验或感觉,使它们变得可以理解。数学、几何、逻辑学等"形而上学"中的定理之所以是必然的,是绝对真理,不需实践或经验的检验,就是因为它们是先验的。而物理学、生理学、心理学等"形而下学"的中的知识却不一定是可靠的,它们不仅要接受经验或实践的检验,而且,随着人们的认识不断深入,这种知识还可能不断的改变。

但我认为,物体间的位置关系、事件的先后顺序关系、因果关系,代数或几何学中的定理,逻辑规律,都是客观存在的,在人们的原始感觉材料中,就已经客观的存在着这些关系,只不过人所特有的理解力将这种关系从原始的物体图像或关于过程的感觉中提炼了出来,变成了抽象符号之间的抽象关系。时空关系、因果关系、数学和逻辑是不需实践检验的绝对真理吗?让我们来看看近代在这些领域内所提出的一些新观念吧,让我们来看看近代所发现的这些领域内的矛盾或危机吧。

在非欧几何被发现以前,人们一直认为欧氏几何是绝对真理。当罗巴切夫斯基等人提出非欧几何后,许多人拒绝给予承认。但是,现在,广义相对论理论以及实际对宇宙中物体之间空间关系的大尺度测量都表明,我们所处的宇宙中,物体之间的空间关系实际上并不是欧氏几何中所给出的关系,在物质能量密聚的地方,空间会发生"弯曲", 物体之间的空间关系遵守的是黎曼几何中的关系,"平直"空间中的欧氏几何只不过是"弯曲"空间中的黎曼几何中的一个特例。物质能量的存在不仅会改变物体之间的空间关系,使其不再遵守欧氏几何,同样,物质能量也会改变过程进行的速度。过去,我们认为,物体的长度,过程所用的时间,两个事件是否同时发生,均是"绝对的",这就是牛顿的绝对时空观,但狭义相对论告诉我们,物体运动时长度会收缩,运动物体上发生的过程会变慢,不同的观察者,即不同的参照系,关于两个事件是否同时有不同的观测结果。过去人们认为,宇宙在时间和空间上均是无限的,但现在整个宇宙已成为物理学的一个具体研究对象,它有起点和终点,目前的宇宙是在一次大爆炸后形成的,并且还在不断的膨胀着。当然,关于广义相对论和宇宙学,也许还有许多问题有待澄清。在微观方面,过去人们认为物体是可以无限细分的;能量是可以连续改变的;测量的精度可以随技术的进步不断提高,我们对微观粒子行为的确定程度也可以无限的精确。但现在发现的"夸克幽禁原理"似乎在说微观粒子不可能无限细分;而且,量子力学告诉我们,在微观领域,能量只能跳跃式的改变;并且微观粒子行为的确定程度有一个极限。过去,人们认为,左右是完全对称的,在镜子中的物体运动图像,在现实世界中也是存在的,宇称是守恒的。但是,杨振宁、李政道、吴健雄等人却证明了,在微观领域,宇称并不守恒。在吴健雄女士精心设计的试验中,上帝终于露出了他不对称的、似乎是不完美的"手征"。

现在,人们普遍认为,时间与不可逆过程有关,与热力学第二定律有关。由于任何过程实际上都是不可逆的,因此,才使我们感觉到了时间。时间之箭的方向正是热力学过程的不可逆的方向。在理想情况下,某些物理过程可逆,我们将这些物理定律中的时间"t"改为"-t",物理定律的数学形式仍成立,但是,绝对的与热现象无关的理想的可逆过程似乎根本就不存在。霍金在他那本著名的《时间简史》一书中,曾指出至少有三种不同形式的时间箭头。一是上述的热力学上的时间箭头,是我们所感知的外部世界的时间流动。二是心理学上的时间箭头,即我们所感知的自身内部的时间流淌。如果将我们关在一个完全隔音的黑房子中,我们也能感觉到时间的流淌。霍金将人的心理所感知的时间也解释为热力学中的时间。由于发生在人的大脑中的感觉或意识过程也是一种热过程,因此这些过程也是不可逆的,因而使人们感觉到时间在不断的流淌。三是宇宙学中的时间箭头,由宇宙的膨胀所给定的宇宙演化方向。霍金指出,宇宙膨胀对应着无序的增加,对应着物质能量的扩散,因而也是热力学中的时间。因此,三种时间箭头的方向实际上是一致的,它们统一成热力学中的时间前头。这说明,我们的时间观念并不是某种先验的观念,而是来自于对客观世界的感知,来自于不断深化的关于客观世界的认识。

数学和逻辑似乎可以认为是绝对真理,但是,近代,关于数学和逻辑的基础,人们却争论不休。集合论可以说是数学和逻辑的基础,但是,人们却在这一领域内发现了大量的悖论。最著名的悖论是罗素提出的"一切不是自己分子的类所合成的类"的悖论。我们在这里不宜深入讨论这一悖论的具体内容,但是,据说罗素自己给出了这一悖论的一个通俗的表述,即所谓的"理发师的悖论"。假设一位理发师作了这样一个古怪的规定:凡是给理发师理发的人,这位理发师就不给他们理发;凡是不给理发师生理发的人,这位理发师才给他们理发。请问,这位理发师该不该给自己理发?如果他给自己理发,按照规定,他就不应该给自己理发,但如果他不给自己理发,按照规定他又该给自己理发。实际上,"理发师的悖论"与罗素提出的"非本身分子的类的类"的悖论并不严格等价,但至少我们可以从中体会集合论中的悖论的含义及其严重性。罗素发现的悖论,引起了数学界的极大恐慌,数学这座富丽堂皇的大厦,原来是建立在矛盾的基础之上。为了解决集合论中的各种矛盾,策梅罗等人建立起了集合论的公理化体系,通过精心的选择或限制集合论中的公理,来保证集合论中不出现悖论。但是,有人却这样评价说,"我们扎起了篱笆,将狼和羊完全隔开了,但是,我们却不知道篱笆内究竟有没有狼。"关于数学和逻辑学的矛盾或争论不至只是集合论中的悖论。形式逻辑学中的排中律断定,每一命题非真即假。但是,直觉主义数学的倡导者布劳维尔却认为,逻辑学中的排中律并不一定可靠,也许还有第三种可能,即这一问题无解或不可解,特别当我们处理的问题与无穷有关时更是这样。例如"圆周率π的小数表达式中有七个连续出现的1,即π=3.1415926…1111111…"这样的命题。如果π是有限小数,我们就可以一位一位的演算下去,最终就可判定这一命题是真是假,但由于π是无穷尽的无规律小数,我们就无法判定该命题的真假。哥德尔关于数理逻辑的"不完备性定理"证明了下述两个观点:如果一个形式系统是一致的,无矛盾的,则它必定是不完备的;而且,如果一个形式系统是一致的,则它的一致性在该形式系统中是不可证明的。

我想,如果康德生活在现代,他就绝不会提出他的先验论。不过,康德的观点却使人们确切的感受到了人类理性思维的特殊性。为什么康德会认为时空观念、因果关系、数学和逻辑是先验的呢?为什么我们普通人也会不假思索的相信这些时空观念、因果关系以及数学和逻辑中的定理呢?显然,是因为这些观念、关系或定理是高度抽象的,是普遍适用的。例如,关于时空的经典观念,几乎在我们所能观察到的所有物质运动中都能体现出来,而现代的时空观念,却只是在极端情况下才能显现出来。对于一个具体的物体运动,我们会毫不犹豫的相信其中的时空关系,是因为在我们的潜意识中,我们有其它的具体物体运动过程作参照。例如,当我们说细胞或原子是可以继续分解的时,我们是以苹果、鸡蛋、石头等无数个可以分解的具体事例为参照的,是以我们以往的大量经验为依据的。但是,康德却盲目的把这些仅由大量经验所支持的观念上升为"先验"的观念,但这种所谓的"先验"的物质无限可分的观念在夸克这里却行不通了。

数学和逻辑定理与时空观念还不同,它之所以不需要实践检验,而仅凭我们的理性就可判别真假,还有其它更为深刻的原因,尽管数学和逻辑中的定理与大量的具体事例相吻合。实际上,数学和逻辑完全是我们人为构造出来的。我们从整数出发,构造出了有理数、代数数、实数、复数等数系。我们从公理出发,按照规定的推理规则,可以演绎出所有的数学定理。这些数学或逻辑定理之所以为真,是我们的推演过程所完全保证了的。如果要检验它的正确性,我们只须重复先前的推演即可。这就如同一座大厦,要检验它的质量,我们只须检验它的一砖一瓦是怎样砌起来的即可。

当然,这些数学或逻辑定理为真,还必定与我们所选择的公理和推理规则有关,离开了这些前提,这些定理就有可能为假。因此,这些定理不可能是绝对真理。只要我们是完全按要求来砌砖的,大厦的质量就只与我们所使用的砖块及砌砖的操作程序有关。选择不同的公理或推理规则,就可获得不同的数学或逻辑体系,建起不同类型的数学或逻辑大厦。例如,在几何学中,我们对欧氏几何中的第五公设进行改写,就得到了非欧几何。在非欧几何中,欧氏几何中的定理,就成为只能在特定条件下才成立的定理。而我们对于公理和推理规则的选择,完全是人为的、任意的,特别是在数学、逻辑这样的纯粹形式系统中更是这样。而且,这些公理和规则的选择,也许是在人类有限的经验暗示下进行的。因此,不同的数学和逻辑系统,不一定都适用于我们所在的真实宇宙,它们与客观实际是否吻合,还需要实践检验。在人类的有限经验中,欧氏几何曾经是所谓的绝对真理,但我们所在的宇宙,真正成立的几何却是非欧几何。当然,人们最先认识欧氏几何,不仅是因为人类的经验有限,还因为欧氏几何是所有几何中最简单、最特殊的一种。同样,在我们的有限经验中,古典形式逻辑中的排中律似乎是绝对真理,但当问题涉及到我们的经验所无法达到的无穷时,排中律还能绝对有效吗?

最后,我举一个我内心极不愿意讲出来的例子,这就是因果关系。因果关系似乎是自然界普遍有效的绝对规律。原因和结果一一对应,一个确定的原因只能有一个确定的结果,而一个确定的结果只能由一个确定的原因引起。否则,自然界就会出现混乱,"决定论"就会失去根据,上帝和其它唯心的主宰就会有机可趁。在我们所讨论的生命领域,如果因果关系失效,人以及所有的生物的活动就不能由外界刺激、生物自身的结构和生物以往的历史所唯一的确定,我们也就未能从物理学的角度、从物质能量流动的角度彻底的解释人及其所有生物所具有的目的或活力,生命就具有了我们无法理解的神秘属性。但是,令人遗憾的是,在量子力学中,我们却不能给出粒子的确定行为,不能给出观测量的确定值,只能给出某种概率的预测。而且,现在种种迹象表明,量子力学中的不确定性,似乎不是因为我们的观测手段有限,不是因为还有我们未能观测到的"隐变量"在起作用,而可能是微观粒子的本质属性。"上帝确实是在投骰子。"因果关系对于微观粒子的行为失效了。前已指出,人的行为的不确定性与量子行为的不确定性十分类似,它们之间有无关联我们现在还不清楚。实际上,我更希望在将来,我们能发现迟迟不愿露面的"隐变量",这样,因果关系和决定论就能得以保全,我们关于生命现象的物理解释也至少能在原则上可行。但是"决定论"也是一种"缩命论",我们看起来完全自主的行为,我们的创造、探索活动,实际是唯一确定的。而在幕后确定我们行为的不可抗拒的力量,是铁一般不可抗拒的物理规律。

如果没有因果关系,让决定论失效,则世界就会混乱,生命的物理解释至少在原则上就不可能是彻底的解释,生命就有可能具有一些神秘的目的或活力;但是,如果因果关系是绝对真理,绝对真理的存在也可能说明人类的知识也许是先验的,不是从外部世界获得的,这样,我们也就未能从物理学的角度彻底的解释了所有生命活动。如果没有因果关系,人的创造活动就可能有一种神秘的不可解释的目的;但如果因果关系是绝对的,则人的创造活动也就不是真正意义上的自主创造。也许,真正的绝对真理是哥德尔的逻辑体系"不完备性定理"。如果要使我们关于生命的物理解释不出现矛盾,则这种解释肯定是不完备的;如果我们试图给出完备彻底的解释,则必定出现矛盾。

这里,我只是提醒大家,所谓的绝对真理并不见得就是那样的绝对。也许,确实有绝对真理存在,但如果真有绝对真理存在,那它也只能绝对的存在于客观世界中,而不可能先天的存在于人的大脑中,尽管这些绝对真理只有人所具有的特殊的探索力才能给予理解,并被表述出来。人类的知识只能来源于客观世界,来源于人类对客观世界的认识,来源于人类对客观事物、对事物间客观存在的各种关系所进行的高度抽象的符号化活动。

21、伦理道德等人类价值观的来源

人类的伦理道德来源于何处呢?有人认为,来源于教育,来源于有意或无意的文化熏陶。近朱者赤,近墨者黑。不可否认,教育在后辈人的伦理道德观念形成中起到了十分重要的作用,但是,教育只是观念的传承,第一个提出这类道德观念的人,他的观点又来源于何处呢?而且,人们对于这些道德观念,似乎更容易接受,而对违反这些道德观念的观点有一种先天的抗拒力。"仁者爱人"。儒家学派的创始人孔子本人的"仁爱"观点,又是来源于何处呢?"人之初,性本善"。我们只能说,孔子的"仁爱"来源于他的内心,来源于他所具有的群体的生命动力。许多未受过多少教育的人,例如我的母亲,她的仁爱之心,就是发自她内心深处的天然的"仁爱"本能。只不过孔子的、人所特有的生命动力将他和大多数人的这种先天本能符号化了,并加工成一整套完整的伦理道德体系。不仅儒家学说强调人与人应相互关爱,几乎所有的伦理道德体系、所有的宗教教义,都以弘扬人类的爱为中心。但是,不同的伦理道德体系、不同的宗教,其实现人类大爱的方法却不同。儒家区别于其它伦理道德体系的主要特征,我认为不在于儒家自己所标榜的"仁",而是孔子一生都在梦想恢复的"礼",是"君君、臣臣、父父、子子",是对不同阶级的承认和维护,是对人与人不平等现象的承认和维护,其产生的效果却是维护了封建君主的独裁统治。只有在人人平等的前提下,孔子所提倡的仁爱,孔子想恢复的礼或和谐的社会秩序,才有可能正直实现。

我们知道,在人的身上,有三种不同的生命动力。一种是个体的生命动力,一种是群体的生命动力,这两种生命动力也是动物、特别是高级动物所具有的。第三种生命动力是人所特有的生命动力。人类的一切活动,只有三种目的,这就是为了自己更好的生存,为了群体更好的繁衍壮大,为了寻求真理和施展人的创造力。第一种目的是完全自私的,但第二种目的却是友好的。第三种目的实际上是"无目的",无确定的目标和指向,只是人的一种创造和探索本能。但是,第三种生命动力却使人具有了理性分析的能力。人类的一切伦理道德观念,包括违反这些伦理道德的行为,自杀或犯罪行为,都来源于这三种生命动力。

我在前面说过,这三种生命动力是平齐的,无高低上下之分,只有强弱之分。人身上的三种不同形式的物质能量流动,没有优先权的问题。否则,如果认为群体的生命动力优于个体的生命动力,则人的自私行为就不可能产生。而且,人类的这三种形式的物质能量流动,其强弱程度,在不同的人身上,在同一个人的不同情况下,也是不同的。在肚子还没有填饱的情况下,谁还有心去探索真理呢?大多数人的一生都在为生活而忙碌着。但是,人的探索,人类的理性活动,却对这三种生命动力给出了等级区分。显然,人们认为,群体的生命动力似乎高于个体的生命动力,而为了阶级、民族或全人类的利益、为了探索真理而牺牲自己,更是无尚光荣的。人类的伦理道德、法律法规,是人人都应该遵守的。这是因为,人的理性已认识到,群体的生命原则与个体的生命原则并不矛盾,而个体的生命原则有时却会与群体的生命原则发生冲突。在人类这种社会化的群体中,人与人的关系是如此的紧密,以至于如果群体不存在了,个体也就无法生存。因此,人的理性要求人们必须首先遵守群体的生命原则,适当的约束个体的生命动力。但是,个体必须首先能够生存。人的理性也要求个性的解放,人身的自由。东方的人文传统强调了人和人之间的和谐,而西方的人文传统强调了个性的自由解放。有人说,"人之初,性本恶",那是因为人在刚刚出生时,个体的生命动力是最强盛的。但人刚刚出生时对母亲的依赖,也说明了人体内的群体生命动力是存在的,只不过此时母亲和孩子之间的物质能量流动,主要是从母亲流向孩子。但人成熟后对父母的反哺之情也是天生的。人类的仁爱之心不会施舍给对人的生存造成威胁的事物上,不会施舍到人的生存所必须获取的其它物质能量上。例如,当农作物成熟后,人们会毫不含糊的将它收割回来,而不会对其产生恻隐之心。现在人们的环保意识,其真正的目的,不仅是为了自身的生存,为了营造一个赏心悦目的生活环境,更重要的是为了可持续发展,为了给我们的子孙后代留下一些必不可少的生存条件。

除更好的生存外,真、善、美是人类追求的三大高级目标。人们追求和探索真理,是人所特有的生命动力的一种表现,是人类好奇心的一种表现,是为了解除人们心中的迷惑。人们崇尚善,是群体生命动力的一种表现。但什么是美呢?人为什么要追求美呢?关于美的本质,不同的美学家有不同的观点。我认为,通常意义上的美,有两个表现方面,其一是指人本身所表现出的美,即人们追求自身的美,其二是指外部世界的美。人自身的美又可分为外表美和心灵美。人们追求外表美,其潜在的原因可能仍是群体生命动力的作用,其潜意识是为了确立自身在群体的地位或作用;也可能是潜在的性动力的一种体现,是为了吸引别人,特别是异性。心灵美,其本质仍然是善和真。外部世界的美也有两个表现方面,一是自然存在的美,另一类是人类创造的美。人们之所以会感受到美的外部世界和一般的外部世界的区别,一种原因是这种美的外部世界的形态能激发人的创造力和探索力,唤起人的好奇心,如漂亮、新奇等,另一种原因是这种外部世界的形态能节约人的理解力,使人更容易了解它的真,或使人感受到已获得了真,如简单、和谐、对称、规律等。许多资深的物理学家、数学家,如杨振宁,说物理定理、数学定理是美的,认为从事物理、数学研究是一种美的享受,其原因就是因为物理定理、数学定理有一种"直觉"上的真,进行这方面的研究能唤起或满足人的好奇心和探索力。总之,所谓的美感,实际上就是与人类身上的个体、群体生命动力及人所特有的创造和探索动力这三种生命动力相关的复杂感受,人们追求或创造美,其动力也源自这三种生命动力。

人类所创造的文化,实际上就是人类所创造的外部世界的美。绘画、音乐、建筑、雕塑等人类文化的形式,都是美的形式。小说、诗词等文学作品,电影、戏剧等影视作品,都能给人以美的享受。它们之所以是美的,是因为它们能激发人的想象力,满足人的好奇心,发人深醒,引人深思;并且,人们从中可以领悟到人生的真谛,感受到获得真理的快乐。而人类之所以要创造这些美的人类文化,完全是由于人所特有的生命动力的驱使,是人的创造力的一种表达和宣泄。

不仅美和伦理道德观念是这样,其它所有的人类价值观也都来源于个体、群体生命动力及人所特有的创造和探索动力。人类的价值观也就是人类所追求的目标,而人类的一切活动,不外乎是为了个体、群体更好的生存,以及创造和探索外部世界,满足人的好奇心和创造欲这三种目的。

美国心理学家马思劳将人的需要归纳划分为五个不同的层次。实际上,马思劳的人的需要的五个层次都可用三种生命动力做出解释,都包含在人类活动的三种目的之中。第一个层次是生理需要,是直接的个体生存需要,如吃、穿、住、行、休息等。"食、色,性也。"人的生殖欲望也被划分在这一层次。第二个层次是安全需要,是人所特有的生命动力所认识到的潜在的个体生存需要,如对自身安全和财产安全的需要,对群体安全和社会安定的需要,老有所养的需要等。第三是社交的需要,包括对爱情、友情、集体归属感的需要,这实际上是群体生命动力的一种体现,是群体生命动力对人的一种潜在的约束。第四是被人尊敬的需要,包括对名誉、地位、权力的欲望。被人尊敬实际上是自己在群体中和作用和地位被群体所认可。而对名誉、地位、权力的争夺实际上是在争夺群体间的物质能量流动的控制权或主导权。第五个层次,也是最高级的层次,是自我实现的需要,即对理想或奋斗目标的追求。这一层次与三种生命动力或人类活动的三种目的的对应关系,要视具体的理想或奋斗目标而定,但是,人们追求自我实现,追求成就感,不外乎就是满足人的创造和探索的欲望、被别人认可的欲望、或满足自身的某种物质需求。通常人们将人的需求分为物质需求和精神文化需求,物质需求与个人或群体的生存直接相关,精神文化需求与群体的生命动力和人所特有的生命动力相关。

马思劳将人的需要划分为不同的级别,而不是同等级的不同类别,显然也是由他的理性所选择的。通常所说的精神文化需求实际上也是经人们的理性所过滤后的群体生命动力或人所特有的生命动力的追求。高级需求与低级需求无矛盾,与他人的需求无矛盾,而低级却可能与高级需求、与他人的需求相互冲突。实际上,即使是低级需求,当它不能满足时,特别是人的生存受到威胁时,这种低级需求也会上升为主要需求。这也正是阶级斗争、社会冲突暴发的根本原因。公平、正义是经过人的理性所选择出来的、能使大多数人的基本需求均能得以基本满足的社会公理。人类社会为探求和实现真正的公平、正义,已付出了不知多少血的代价。公平、正义的核心是上帝面前人人平等。如果离开了人人平等的这一基本价值观,承认人与人有等级之分,则一切仁爱就都是虚假的。即使是"上帝面前人人平等",人与上帝不平等,也会有人假借上帝的名义,残害他人。也有一些人,他的低级需求已经得到了充分的满足,但他却还贪得无厌的继续追求这些低级的满足感,这只能说明,这种人身上的低级的、人与动物共有的生命动力比较强盛,而人所特有的高级生命动力却比较弱小。

22、关于心理学的讨论

人和动物的心理现象,其实质就是对外界刺激的反应,是刺激反应过程中所表现出的某种特性。因此,人和动物的心理现象,原则上也可以用物质能量流动的不同指向和不同的形式给予解释。只不过人和高级动物的刺激反应过程比较复杂,人们用"心理现象"一词来专门给予描述,并将其作为心理学这一学科的研究对象来专门进行研究。刺激反应过程,就是物质能量的流动过程。刺激是物质能量的输入或输出,或与正常的物质能量输入输出的差异,例如,热的感觉是能量的输入,而冷的感觉是能量的输出。反应的过程,动物选择或运动的过程,是能量的输出,但反应的结果,如吃进食物,却是物质能量的输入。但是,刺激不仅是直接的物质能量的输入或输出,还有信号刺激。动物对信号刺激的反应,已不仅仅是对这一刺激中的直接的物质能量输入输出进行反应,而是对这一刺激所包含的有用信息进行反应,是根据记忆所进行的反应。人和高级动物的刺激反应过程之所以比较复杂,有两方面的原因。一是高级动物已能对过程产生认识,并根据过程进行反应,而人的认识能力已能抽象出事物发展变化的内在规律。另一个原因是人和高级动物的刺激反应已不仅是以自身更好的生长生存为目的,还有以群体更好的繁衍壮大为目的,甚至人的有些反应是不受确定的、先天目的限制的创造和探索活动。

我认为,心理现象可以分为表层心理现象和深层心理现象。表层心理现象是指对刺激直接按三种生命动力要求所做出的反应,如喜怒哀乐。人或高级动物高兴或快乐是因为它的三种生命动力要求得到了满足,悲哀则相反,特别是当群体生命动力、或群体中的物质能量流动受到挫折时,如它的亲人去世时,悲哀就会更明显。个体的生命动力受到挫折时,人可能更会感受到痛苦。恐惧可能是对现实的或潜在的个体或群体生存威胁的一种感觉,而发怒,则可能是人或动物对不会造成威胁但却表现出威胁的事物的一种反应。羞愧可能是人按低级生命动力要求进行了并不迫切需要的活动,而与人类理性所倡导的高级生命动力要求相矛盾所造成的一种感觉。爱和需要爱是群体生命动力对人或动物的一种约束,而受人尊敬,则是自己在群体中和作用和地位被群体所认可。意志、目的直接就是三种生命动力的外在表现。"怒发冲冠"是一种形容,但人在高兴时会发笑,而在悲伤时会流泪,这充分说明这些心理现象本身就是一种对外界刺激的生理上的反应,是物质能量的一种特殊流动。动物也会具有这种浅层次的心理反应,只不过动物高兴或悲伤时的外部表情与我们人类不同,不易被我们发觉或认可。

深层次的心理现象其实质也是对外界刺激按三种生命动力要求所进行的反应,但这种反应却是迟缓的,或者说是对以往刺激的反应,更确切的说,是对记录在大脑中的所有的以往刺激的综合反应。深层次的心理特征其实就是这种综合反应中所表现出的某种属性。例如,人的性格实际上是人对外界刺激进行反应过程中所表现出的一种习惯性特征。人的性格与人以往的经历,特别是童年的经历有密切的关系。人的修养、人的素质与人所受到的教育密切相关。潜意识的反应也是一种迟缓的综合反应。潜意识是人未明确感觉到的意识,是以往的刺激反应经历在不自觉的情况下对人的行为所产生的影响,或者是人的三种生命动力在不自觉的情况下所产生的作用。甚至于在科学研究中,潜意识也在发挥着它无处不在的潜在影响,人们不假思索的认可某些所谓的"绝对真理",可能就是受到了潜意识的影响,受到了以往的有限经验的不自觉的影响。人和高级动物的做梦,就是一种潜意识的活动。梦是关于刺激反应的记忆在人和动物不自觉的情况下,在它们的生命动力处于"休息"的情况下,至少是在身体的大部分处于休息的情况下,在大脑中所进行的一些感性的加工活动,如对感觉材料进行回放、裁剪、粘贴、变换等。动物的梦境可能与它清醒时相差不多,或者说动物无法区别梦中的世界和真实世界,因为在这两种情况下,进行的都是感性思维。但人在清醒时,却能进行理性思维。人在梦中能否进行理性思维,我们是不清楚的。据说,苯分子的环状结构就是在梦中获得的灵感,但那位化学家梦见的却是一条首尾相接的蛇。梦中的思维和清醒时的思维都是大脑中的对记忆的加工,区别就在于梦是在某些生命动力处于休眠的情况下发生的,至少是对大脑的某些部位不起作用。梦中的情景大多数在醒后就已经遗忘了,说明至少大脑中的贮存记忆的部位未被激活。即使是在梦中,个体的生命动力、群体的生命动力也会参与进去,参与梦中的关于感性记忆材料的加工,因为这两种生命动力完全是"生物性"的。梦中世界的悲欢离合,情感纠葛,不见得就比真实世界逊色。只有在人所特有的生命动力被激活的情况下,人才能感受到"真实的"世界。人所特有的理性思维,人所具有的符号加工能力,人的创造和探索活动,人对客观世界的认识,也是一种迟缓的刺激反应,属于深层次的心理活动。

翻开心理学教材,就会发现,心理学可以说是派别林立,各执一词。为什么会出现这种状况呢?究其原因,就是因为心理学没有对心理现象找到一个合适的解释依据,或者说,心理学不知道用什么来解释心理现象。如果心理学不能解释心理现象,那最多只是对心理现象按照其外在的表现进行分类,或对心理现象用其它现象进行比喻。例如,佛洛意德的精神分析学将意识分成潜意识和意识两大类,巴甫洛夫将动物的刺激反应过程分为条件反射和无条件反射两类,"格式达"心理学用物理学中的场的概念来形容心理现象,等等。当然,这种分类或比喻并不是毫无用处的,它们也是心理现象外在表现的一个侧面。有些心理学派也指出了一些心理现象的原因或动力,但并不全面。机能心理学或实用主义心理学强调了"目的"在人和动物心理现象中的作用,将许多复杂的心理现象归结为人或动物符合先天目的的一种本能,但却将人和动物活动的目的狭义的解释为纯粹为了自身更好的生存。佛洛意德片面的强调了性欲在人的心理现象中的作用。这些解释都只是从某一个侧面反映了心理现象的一部分原因,失于偏颇。

行为主义心理学似乎是一种科学的心理学,它提出了刺激-反应这一心理活动的公式,将心理过程看成是刺激反应过程,将人和动物的可观察的行为作为心理学的研究对象。但由于行为主义心理学未能对刺激反应过程进行进一步的解释,未能将刺激反应过程与发生在生物体上的物质能量流动过程等同起来,未能对刺激反应过程或物质能量流动过程的形式和目的进行进一步的细分,因而,行为主义心理学除了提出或倡导了一种心理学的科学的研究方法以外,并未对心理现象给出更多的实质性的解释。而且,行为主义心理学排除不可靠的"内省"的心理研究方法,将人和动物的不可捉摸的"内心世界"排除在心理学的研究范围之外,甚至于不承认人和高级动物的感性或理性思维,显然是未能看出人和动物的深层次的心理过程也是一种刺激反应过程,未能看出这些深层次的反应是一种滞后的反应,是对以往刺激的综合反应或不自觉的反应。"内心世界"的确不像外在的行为那样可靠,可以进行科学的观察和分析,但人和动物的"内心世界"却是真实存在的。在目前的科学手段还不能对"内心世界"进行定性和定量的观测时,有条件的相信"内省",也不失为一种心理研究的途径,只不过这种研究的可靠性、可信度是有待检验、需要旁证的。

23、人所具有的特殊生命动力(三)

发生在人体上的物质能量流动不仅与动物身上的物质能量流动不同,它无一个确定的目的或指向,而且,人身上的物质能量流动还能控制人体外部的其它物质能量流动,改变它们的形式,控制它们的大小和方向。看看我们人类的现代工业、特别是现代能源工业,就可立即明白这并不是夸张。例如,我们已将自然的水流控制起来,并将水的机械能转化为电能。自组织的物质能量系统已进化成具有智能的系统,并能控制系统外的其它物质能量流动了,这不能不说是物质能量系统进化、宇宙演化过程中的一次重大飞跃。人身上的物质能量流动为什么能做到这一点呢?显然是因为人身上的物质能量流动已具有一种了创造力和探索力。正是因为人身上的物质能量流动无确定的目标,人才能将它随意的输出,并实施对外部世界的物质能量流动的随意控制。

人所具有的特殊生命动力是盲目的,无确定的指向。发生在人身上的自组织的物质能量流动,我们不能说它一定是区域性熵减的物质能量能量流动,在这一流动过程中可能不出现物质能量的集中,不出现有序的增加。但是,人对外部世界物质能量流动的干涉和控制,却能使这些物质能量变得更为有序,尽管任何有序的产生都伴随着更大的无序出现。人类的物质化的文明成果,就是这种外部世界有序的体现。人已将钢铁从铁矿石中提纯出来,并将其摆放在规定的位置,建成了高楼大厦,铁道桥梁。而"提纯"、并"将其摆放在规定位置",都是熵减的有序化过程,是产生差异的过程。第一个生命体中的有序的物质能量流动,可能是随机产生的,是物质能量流动中的一次偶然性的涨落,引发了一个自组织的物质能量流动过程。但是,人为产生的外部世界的有序的物质能量流动,却是由人引发的,由人体内的自组织的物质能量流动引发的。人已将生物体中的有序扩张到生物体外的物质能量系统中。当然,由于人的生命动力是盲目的,人也可能引发一场熵增的物质能量流动,使外部世界变得更加无序。人类盲目的使用核武器,可能会导致整个世界毁灭。

另一方面,人所具有的特殊生命动力也能对人身上的其它两种生命动力加以管制和约束,人的理性已对个体的生命动力和群体的生命动力给出了级别划分,从而使人的活动不仅有利于个体的生存,也有利于群体的生存和壮大。

更为重要的是,人身上的这种物质能量流动已能"理解"人本身的物质能量流动和外部世界的物质能量流动了。人的认识和理解是人的探索力驱动的结果。这种理解不是对外部世界的纯粹的"录像",而是将外部世界的"录像"符号化了,并形成了人类的科学知识和伦理道德等价值观念。

可以看出,精神或意识只不过是一种特殊的物质能量流动,或者说,精神或意识不过是物质流动过程所表现出的一种特殊属性。"精神世界"与物质世界一样,也是客观存在的。意识是物质世界进化到一定程度的产物。物质世界已经进化到能够自己理解自己、自己控制自己、自己创造自己了。

24、偶然中的必然、物质能量系统的进化

至此,我们已讨论了生命这种特殊的自组织的物质能量流动的所有不同的形式和所有不同的指向,我们已经讨论了生命体的所有刺激反应类型,包括人类特有的心理活动、创造探索活动。

我们看到,由于偶然的机会,熵增环境中的一次物质能量流动的涨落,构成了自组织的物质能量有序流动的初始动力,而这一物质能量流动系统恰好能够自动复制自己,自动生殖自己,因此,第一个生命便诞生了,并且从此绵延不绝。我们把生命系统自动维持自身不断生长、生存的机制称作个体的生命动力,这种生命动力的实质就是个体中自组织的物质能量流动。许多微观的单细胞中的物质能量流动在某些特殊的情况下又能组成一个多细胞生物体内的宏观的物质能量流动。而生物群体中各个个体之间的自组织的物质能量流动我们称之为群体的生命动力。生物生殖的动力我们也归结为个体的生命动力。但是,人所具有的生命动力还有一种特别的类型,它可能不是以自身或群体的熵减为目的,它无一个确定的指向。正是由于人类的活动不受先天确定的目标限制,人类才具有了无穷无尽的创造力和探索力。

但是,每一种指向的物质能量流动,又有不同的表现形式。个体中的物质能量流动最初级的形式是被动的接受外界提供的物质能量的输入或输出,这种形式的生命体就是植物。而当个体能够主动的选择外界提供的物质能量流动时,动物就诞生了。刺激,实际上就是生物外部的物质能量流动。但有些刺激不会影响到动物正常的生命活动,而动物却根据记忆对这些刺激所包含的有用信息做出了反应。而且,当动物以这种对信号刺激的反应作为物质能量输入的主要来源时,动物就必须由主动选择外界的物质能量进化到主动寻找外界有用的物质能量,动物也必须能在体内贮存食物,以维持其自身不断进行着的物质能量流动。另外,为了能在四周完全相同、全是无用信号的情况下主动的出发寻找食物,动物外部的结构就不能完全对称。高级动物不仅能对物质能量的状态信号做出反应,还能对物质能量的过程信号做出反应,动物不仅认识了状态或空间,高级动物也能够认识过程或时间了。而人所具有的特殊生命动力使人超脱了动物的以自身或群体生存为目的的反应形式,使人能够控制和制约自身内部和外部世界的物质能量流动,认识和理解自身和外部世界,创造出了辉煌的人类物质文明和精神文明。

显然,我们这里给出的生物的类别,是根据自组织的物质能量流动的流动方向和流动形式来划分的,不同于林耐从生物的形态角度所做出的划分。我们这里给出的生物进化的路线,也不同于达尔文从生物形态角度所给出的进化路线。

可以看出,生命的诞生是偶然的,生命的不同形式的出现、生命系统的进化也是偶然的。这里没有一个先天确定的超自然的目的。由于偶然的机会,生命诞生了,而且,由于偶然的机会,生命系统在原来的形式和功能的基础上增加了新的形式和功能,使生物发生了变异。但由于生物能够生殖,这种新的形式和功能被遗传至今。也许,由于偶然的机会,生命系统还会增加其它形式和功能,包括不符合生命原则的形式和功能,但由于这些功能与生物的生长和生存无关,在生物按生命原则所进行的所有活动中不表现出来,或者,这些功能因违背了生命原则,导致了生命系统崩溃,我们今天就看不到具有这种功能的生命系统。有些变异也可能将高级形式的生命变成低级形式的生命,所谓的"返祖现象"就是这种变异的结果。如果进化是预先设计好的,为什么许多动物不具有群体的生命动力?为什么高级动物的群体生命动力反而不像蚂蚁等低级动物那样胜过个体的生命动力?这说明,群体的生命动力的出现,完全是偶然的。

另外,变异也不是某一物种中的所有生物个体都统一变异成另一物种,不可能这一物种中的所有生物个体都发生了变异,而只可能是部分个体发生的变异,因此,原来的物种仍存在,否则,所有的猴子都进化成了人,我们今天还能看到猴子吗?当然,也有某个物种中的所有个体全部灭绝的情况,如恐龙就全部灭绝了,也有某个物种中的所有个体全部统一进化成同一个新物种的情况,但这些都不是普遍现象。另外,也不是所有发生了变异的猴子都朝向人的方向变化,变异并不是都沿一个方向变化,变异的方向也是随机的,是多方向的,因此,生物的进化树才出现了许多分枝。

不仅变异的方向是偶然的、随机的,变异的原因也是偶然产生的,随机出现的。现代生物学已证明变异是遗传密码的改写。不同物种之间的杂交、病毒的侵入,宇宙射线的切割,都可能使遗传密码发生改变,使生物发生变异。链状的DNA被改写的方式可能有如下几种:DNA长链被切断而变短,生物出现退化;细胞复制时的差错;从某一位置插入某一对碱基或另外一段DNA;从DNA长链的头部接入某一对碱基另外一段DNA,从DNA长链的中部或头部丢失了一段DNA等。可能大多数改写的遗传密码因与生命原则相悖而导致生物死亡,不能被遗传至今。最容易发生的改写可能是从头部接入一段新的DNA,因此,生物最可能的变异是小幅度的复杂化。

但是,偶然中却存在着必然。因为生命的形式就是上述的这些形式,因此,变异来的生命系统必定取所有这些形式中的某一种形式。而且,有些高级形式必须是在低级形式的基础上才能存在,是在低级形式的基础上,增加了一些新的结构和功能而已。生命的诞生必定首先取最简单的形式,因为这种形式对其诞生的条件要求最少。在第一个最简单的生命诞生后的慢长的岁月中,只要变异的次数足够多,则必定会出现高级形式的生命,表现出生物的"进化";而且,只要变异的次数足够多,也必定会出现所有形式的生命,符合统计物理学中的"各态遍历原理"。

变异的方向从总体上讲,是偶然的,多方向的,但是,有些变异却只能沿一两个方向、沿一两条路径前进。例如,由单细胞生物只能进化成多细胞生物,在个体的生命动力的基础上,增加其它类型的生命动力,就只能是增加群体的生命动力,或增加超出个体和群体生存目的的人所具有的特殊生命动力,因为除个体的生命动力外,就只有这两种生命动力。对外界刺激或物质能量输入输出的反应,除了植物式的被动接受外,下一个更高级的反应就只能是动物式的主动选择,随后就只能是主动寻找,而更高级的形式就是对外部或人体内部的物质能量流动进行控制和制约。

物种的变异是渐变还是突变,这一直是生物学上争论不休的问题。我想,生物最有可能产生的变异是小幅度的复杂化,动物骨骼等形态的变化可能就是由小幅度的变异累积形成的,但是,大幅度的突变也必定存在。从只能被动的接受刺激,然后再进行恢复的植物式的原始生物,进化成具有主动选择功能的原始动物,是突变;由单细胞生物进化成多细胞生物是突变;在主动选择功能的基础上增加信号反应功能,是突变;在个体生命动力之外,增加群体生命动力,是突变;人的出现,人所具有的超脱个体和群体生存目的的特殊生命动力的出现,更是巨幅突变,尽管人的形态与黑猩猩相差不多。人不仅与黑猩猩有巨大的差异,实际上,人与其它所有的动物、生物都有着本质的区别。通过对不同地区、不同民族的人进行DNA对比研究,已经发现,地球上的所有人都来自于同一个祖先,都是由非洲走出来的。而与我们的共同祖先同时进化来的其它人科动物,却似乎都灭绝了。这从一个侧面说明了,人类的进化有其独特性。

可见,生物物种的改变,与其说是"进化",还不如说是变化,是随机的、无目的的变化。如果变异是有目的的,变异的方向和路线是唯一的,为什么现在会有如此多的生物种类?为什么那些低级生物至今还未变异成高级生物?"Evolution"一词的原义应该是指演化,但将其翻译成"进化"却给人一种方向感或目的感。我们说,生物的生长和生存过程中表现出了目的,那是因为生长和生存过程是区域性的熵减过程,是物质能量的集中过程,是有序的增长过程,与常见的自发熵增过程明显不同,才使我们感觉到生物的生长和生存似乎有了一定的"目的"。但物种演变过程中的目的又是什么呢?许多人认为生物进化的过程是一个有序化的过程,是熵减的过程,有些人甚至认为,生物的进化与热力学第二定律相矛盾。是的,物种的演变使生物变得复杂化、多样化,但复杂化、多样化就是有序吗?但在导致物种多样化和复杂化的物种变异过程中,存在着物质的提纯或能量的集中吗?均匀、单一、平衡不能与有序对应,同样,复杂、多样、混乱也不能与有序对应,而可能正好相反,与无序对应。生物的复杂化、多样化应该是熵增的随机变异的结果。实际上,有序只是差异,是某种物质或能量的提纯和集中。有序或熵减,只在生物生长和维持生存的过程体现出来,而生物物种的变异,生物物种的多样化和复杂化,体现出来的只能是无序和熵增。

也许,在遗传密码被改写的瞬间,由于生物还活着,生命原则仍在起作用,它限制了遗传密码的盲目改写,也可能使得改写后的生物更有利于生存。但是,"使得改写后的生物更有利于生存"的原因或动力却是生物个体或群体的生命动力,而不是使生物发生变异的外来的、无序的或熵增的原因或动力。外来的、无序的或熵增的原因或动力所导致的变异只会使生物系统变得更加无序,也就是使得生物变得更加多种多样,而生物生长和生存的个体或群体的生命动力只是对这种无序化或者说多样化在允许的范围内进行了限制。前已说过,有些变异也只能朝一两个方向、沿一两条路线变化。沿其它方向的变化不是不能存在,不是不会发生,而是即使发生了这种变异,但由于它可能不利于生物生存,因而这种变异的生物很快就灭绝了。生物生长和生存过程中的有目的活动,也可能改变生物的形态,如运动会使人体更加健壮,但现在,几乎所有的生物学家都相信,拉马克的进化论是不成立的,生物后天获得的特性不能遗传给后代,除非后天所获得的特性已改变了用于生殖的细胞的DNA。

如果我们把生物理解成物质能量自组织的流动和集中系统,就会立即发现,生命的出现,生物的进化,实际上就是物质能量流动系统的进化,是宇宙的进化,或者说是宇宙进化的另一个侧面,是宇宙进化的一个重要阶段或重要组成部分。现有的宇宙演化学说,宇宙大爆炸理论,是以爱因思坦的广义相对论和基本粒子理论为理论依据,以对遥远的河外星系的观察为实验支撑,将生物、将人排斥在宇宙的演化之外,给人一种冰冷的感觉,而无生命的温馨。的确,生物、人相对那些宏观天体来说,实在是太渺小了,生命系统中的物质能量流动,实在是太微弱了,生命存在的时间与宇宙的年龄相比,实在是太短暂了。但是,生命的出现,却是物质能量系统、是宇宙中的重大事件。原来自发的熵增过程中出现了区域性的熵减,原来盲目的物质能量流动中出现了有"目的"的流动,原来混乱的系统中出现了有序。而且,更重要的是,物质能量系统已经能自己理解自己、自己控制自己、或自己创造自己了。人、地球、太阳系、银河系,可能只是一个巨大生命体中的一个细胞或组成部分。也许,宇宙大规模的有序化可能是所有生命、包括人类的末日,但也可能是人类生命的升华。而且,宇宙大规模的有序化,完全可能是我们人类所引发的。当我们从物质能量的角度全面理解了生命和人类智慧的本质,我们也许就能找到开启宇宙大规模有序化的钥匙。当然,由于人的行为的盲目性,人类也可能在一次自己所发动的大规模的熵增中灭亡。宇宙的演化是偶然的,但偶然中却包含着必然,在从多的偶然演变中,必定会出现向高级形式的进化。宇宙似乎有一个"最终目的"。只不过由于演变的偶然性,宇宙进化的道路可能是曲折的,甚至会倒退。必然与偶然是辩证统一的。

人类的出现是偶然的,人类的活动是盲目的,人类的未来是不可预知的。这是一种悲观主义。但是,人类的探索创造将是永恒的。不懈的探索创造,是人的本能,是由人的生命动力所决定的,也是由人的生命动力所驱动的。而生命动力是永恒的,即使是一个人的个体不存在了,但他的生命动力会传承给他的后代,而且,人类探索创造的成果,也会以知识的方式,通过与物质世界相对应的知识或精神世界转交给他的后代。人类将在不断探索创造中得到满足,因为人的满足,实际上就是生命动力得以最大程度的发挥或施展。而那些以利已为人生最终目的的人,与动物、甚至是只具有个体生命动力的初级动物并无多大的差别。当然,探索创造的前提是人必须首先要保证自身的生存。现在,大多数人,包括笔者本人在内都还在为生存而苦苦挣扎着。永不止息的探索创造,将构成人类活动,特别是人类高级活动的基本内容。

25、其它材料构成的生命体

我们知道,生命体实际上就是能够生殖的自组织的物质能量流动与集中系统。如果一个物质能量系统中具有一个自组织的物质能量流动,并在流动过程中出现区域性熵减的物质能量集中,并且,该系统能够自己复制或生殖自己,则不论构成这一系统的材料是何种材料,不论它是不是有机的碳水化合物,这一系统都可以被看成是生命体。地球上的生命体由碳水化合物构成,但其它星球上的生命也许并不是由碳水化合物组成,它们的生存也许根本就不需要水和空气,而是其它化学物质。

目前我们人造的机器人能否被看成是生命呢?显然,按上述的定义,这些机器人还不能被认为是生命,因为它不仅不能复制自己,更重要的,它体内的物质能量流动完全是熵增的。它直接将电能转变为机械能,并进而转变为热能,而这一过程,完全是熵增的能量扩散过程。也许,将来的机器人能够自己复制自己,但只要它的内部还没有一个区域性熵减的物质能量集中过程,不表现出自身生长和生存的"目的"来,它就不是严格意义上的生命。

但是,所谓的生命的"目的"不就是我们的一种看法吗?不就是因为熵减过程与熵增过程明显不同而给我们造成的一种感觉吗?如果一个系统具有明显的可观察的目的,但却不是"熵减"的目的,这个系统还能不能算作生命呢?另外,如果一个系统能够自己保证自己的生长或生存,但却不是"熵减式"的或物质能量集中式的生长和生存,它能不能被看成是生命呢?例如,一个用电池供电的电器设备能够自己监测自己的电量,当电量小于某一个规定值时,它能自动寻找电源,并给自己充电,从而保证自身的"生存",这种设备能不能被看作是生命呢?据说,美国科学家已在论证一种名叫奥克松斯(Auxons)的机器人,它能将沙漠自动转化成与它自己完全相同的机器人。利用太阳能为能源,首先用一个机器人将沙漠中的有用物质提炼出来,再用提炼出来的材料组装新的与它自己完全相同的机器人,新组装的机器人又进一步对沙漠进行提炼,并最终将所有的沙漠全部转变为这种机器人。显然,现代技术已完全可以做到这一点。这里,机器人不仅能自动复制自己,还具有一个确定的"目的"。这种"沙漠机器人"能不能算是生命呢?

显然,上述的这些能自动充电的设备或能自动复制自己的、具有确定目的的机器人,能不能被看成是生命,完全取决于我们关于"生命"一词的定义。但无论怎样,这种"生命"与我们这类生物的生命是不同的。在它们的"生命体内",进行的是熵增的物质能量扩散过程,而在我们这类生命体内,进行的是熵减的物质能量集中过程,虽然人的许多活动已不以个体内部的能量集中为目的,但这只不过是在以个体内部的物质能量集中的基础上,在个体内部的物质能量集中被满足的前提下,额外增加上去的。从上节所讨论的物质能量系统演化或宇宙演化的角度看,将沙漠自动转化成"沙漠机器人"的过程,也许就是物质能量系统自动的大规模有序化(也可能是无序化)过程的开端,只不过这一过程是由人来引发的,第一个机器人是人造的,并且,它的目的和工作程序是人为设定的。

计算机病毒也是另一种意义上的生命,只不过它不存在于通常意义上的物质世界中,而是存在于网络或程序的世界中,但它具有一定的目的,并能自动复制。

现在的问题是,这些机器人会不会与我们人类发生冲突。我认为,机器人与人能否发生冲突,取决于两个条件,这两个条件只要有任何一个存在,都可能发生冲突。首先是机器人活动的目的是否不利于我们人类的生存。谢天谢地,目前,这些机器人活动的目的还是由我们人类来设定的,它只能服务于人类,而不会伤害到我们人类。但谁能肯定,我们不会制造出一个专门伤害我们自己的机器人?另一个条件是尽管机器人的活动目的与人无害,但机器活动或"生存"所需要的物质能量与人类的生存所需要的物质能量发生重迭,机器人为了自身的生存,按照它的铁一般的不可变更的程序会强行夺走我们的"粮食"或其它生存条件。

另一个更重要的问题是,机器人会不会自发产生自我意识,自发产生自主的意志或目的,而且,这种机器人自发生产的目的对我们人类有害,机器人会有意杀死我们或奴役我们。显然,生物,特别是动物是有明显的自主意志或目的的。如果我们认为生物也是物质能量系统,则其它类型的物质能量系统出现与生物类似的自主意志或目的也是完全可能的。如果机器人的目的不是我们人为设定的,而是自发生产的,那么机器人出现自主意志或目的的可能性就是完全存在的。

但是,我们知道,生物这种物质能量系统的目的就是自身或群体的生长和生存。人类还具有盲目的"目的"。除了人类的盲目的目的是后天产生的以外,其它生物的目的都不是生物后天产生的,或通过进化而产生的,而是本来就存在的。由于生命中的物质能量流动是自组织的,因而使得我们以为它有了一定的目的。人类的盲目的目的也是以自组织的物质能量流动为动力的。如果机器人完全按程序活动,按程序生存,它又是如何产生它程序之外的目的的呢?机器人的目的如果不是本来就存在的,不是人为的事先设定好的,而是后来产生的,这一目的产生的原因和动力又是什么呢?我认为,如果机器人不是以自组织的物质能量流动为其主要特征,则机器人就不可能自己产生自主的目的或意志,它的目的的产生就既无原因,也无动力。如果机器人中的物质能量流动不是自组织的,但它却具有自发产生的目的,那它的"自主的目的"又是什么呢?机器人到底是想干什么呢?我相信,自组织才是物质能量系统自发产生的目的或意志的真正来源。

我们前面已经说过,生命的目的,并不是神秘莫测、无法解释的,它只是由于是一个熵减的自组织系统,与常见的熵增过程截然不同,才使我们以为它具有了一定的目的。生命系统的"目的",只是我们对生命现象的一种看法。但是,如果机器人不是一个自组织的熵减系统,我们就看不到它与其它熵增过程的区别,我们也就看不出它的"目的",看不出它所具有的"自由意志"。

与"人造生命"相关联的一个问题是"人工智能"问题。未来的计算机能否具有人的智能?显然,如果计算机或机器人不具有自主的目的或意志,则计算机就永远也无法具有人的创造和探索能力。计算机不能自主的思考问题,只能按程序思考问题,除非计算机是一个高度发达的自组织系统。现在,计算机已具有了学习的功能,但计算机学习的目的、或计算机所要学习的内容,却是人为设定的,而不是自主产生的。计算机不会抛开人为设定的目的而自主的学习其它方面的知识。甚至,计算机已被用来证明数学定理,例如,我国数学家吴文俊和他的学生就将计算机应用于初等几何题目的证明之中。数学上的一个著名的世界难题"四色问题"的证明,就是由计算机来完成的。四色问题是指,对于任何地图,只须用四种颜色去对地图上的国家涂色,就能使任何两个相邻的国家涂以不同的颜色。但是,四色问题的计算机证明却引来了不少非议,因为这种证明是将所有可能的图形结构归纳出来,然后用计算机对每一种图形按所有可能的方式进行涂色,从而验证了四色猜想是正确的。恰好归纳出的所有可能的图形结构,即"不可避免集"只有两千多种,而每种图形结构中的需要试探性涂色的点或国家的数量是有限的,因此,计算机能在有限的时间内完成所有的试探性涂色。但是,这种证明不能告诉我们四色问题成立的内在原因,不能增加我们关于图的知识,因为在这种证明中,计算机只是按程序操作,没有创造性的探索。

也许,在不远的将来,我们就能制造出一个具有自主意识的机器人,它是一个自组织的物质能量流动系统,它有自己的目的或意志,因此,它也能进行自主的创造和探索。也许,这种机器人会对我们人类构成真正的威胁,它完全有可能替代人类而成为世界的主宰,并完成宇宙大规模有序化的使命。我们目前关于人工智能、人造生命问题上的争论,我们目前之所以还不能制造出真正意义上的生命和智能机器,是因为我们对生命这一自组织的物质能量系统的理解还不够深入,我们对人所具有的创造和探索能力的认识还不够深刻,特别是对自组织过程还未完全了解。当我们完全清楚的掌握了生物和人的自组织系统中的宏观和微观层面上的物质能量流动,我们也就能用其它材料制造出一个真正意义上的人。

26、物理学面临的新问题

至此,我们已对所有大的类别的生命现象从物质能量流动的角度进行了解释。"机械论"者的宏大梦想似乎已经变成了现实,至少在原则上是这样的。我们看到,生命实际上是一个可以生殖的、自组织的、区域性熵减的物质能量传输和集中系统。自组织是生物自主的目的、意志、以及人类创造力和探索力的根源。生命动力实际上就是自组织的物质能量流动。本文认为,生命动力有三种类型,即个体的生命动力、群体的生命动力、以及人所具有的超出生物个体或群体生存目的的、具有创造探索能力的特殊生命动力。这三种生命动力分别对应于三种形式的自组织的物质能量流动,即个体内部的物质能量流动、不同个体之间的物质能量流动,以及无确定指向的物质能量流动。个体内部的物质能量流动又有微观的单细胞体内的物质能量流动和宏观的由多细胞构成的生物体内的物质能量流动。生物的刺激反应过程也是一类物质能量流动的过程。但动物还具有一种特殊的刺激反应形式,即对信号刺激的反应。本文认为,动物对这种不直接影响其正常生命活动的信号刺激,是根据记忆来进行反应的。信号可分为空间信号和时间信号,即物质能量存在的状态信号和物质能量流动的过程信号。高级动物对时间信号的反应,说明高级动物已具有了认识时间、认识过程的能力。物质能量自组织的流动,除具有不同的指向外,本文认为,个体中的物质能量流动还具有四种不同的形式。最基本的形式就是被动的接受外界的物质能量的输入或输出,这种形式的生命体就是植物,而当生物能够主动的选择外界的物质能量的输入或输出时,动物就出现了。下一个更高级的形式就是主动的寻找物质能量的输入,这种动物必须要能在其体内贮存食物,并且其外部结构不能完全对称。而人所特有的生命动力使得人体内的物质能量流动能够控制人体外的物质能量流动,并对人体内的以个体或群体生存为目的的物质能量流动进行制约。

这就是我们对生命现象所给出的物理解释?我认为,严格来说,本文的讨论,与其说是解释,还不如说是猜想,只不过是一种全面的、系统的猜想,而且,我认为,这也是一种合理的猜想。实际上,在普里高津的耗散结构理论和哈肯的自组织系统理论提出以后,人们就已认识到,生命可以解释为"自组织的、区域性熵减的物质能量传输和集中系统",只不过未对此进行深入的讨论,未将这一观点应用到不同类型的生命现象的解释中,未看出自组织是物质能量系统的目的、意志、理解能力和创造探索能力的真正原因。关于自组织系统或耗散结构,本文也给出了不同的见解,即将物质能量集中的动力和物质能量集中的流动区分开来,并用这样一对概念来讨论自组织系统或耗散结构。生命动力三种指向的划分,尽管是依据现有的实际存在的生命系统而给出的,但也似乎在逻辑上是唯一的,除了个体内部的物质能量流动,不同个体之间的物质能量流动外,就只能是超出以个体和群体为目的或指向的物质能量流动。这三种不同的物质能量流动指向,应该是穷尽了所有可能的自组织的物质能量流动的指向。显然,相对而言,我们对个体内部的物质能量流动了解的比较多,而对群体中个体之间的物质能量流动了解的却比较少,对存在于人的大脑中的、似乎是量子层面上的、人所具有的特殊的自组织的物质能量流动,我们几乎是一无所知。另外,将人的理解能力、创造探索能力解释为超出个体和群体生存目的的盲目的、但却是自组织的物质能量流动的一种表现,也可能会引起人们的争论。可能会有人认为,这里的解释似乎太浅显了,太物质化了,看不出人的理解和创造过程的"神秘性"。本文关于个体中的物质能量流动的四种不同形式的划分,也是根据现有的实际存在的生命系统而给出的,但也似乎在逻辑上是唯一的。对于外界的物质能量输入或输出,除被动接受外,下一个更高级的形式就是主动选择,随后就是主动寻找,而最高级的形式就是对个体内部和外部的物质能量流动进行控制。这种物质能量流动形式的划分,似乎也是穷尽了所有可能的物质能量流动形式。本文给出的植物和动物在物质能量流动方面的区别,是除自组织系统或耗散结构外,唯一的一处关于区域性熵减的物质能量流动讨论得比较详细的地方,这里,我们从物理学的角度,从物质能量流动角度对动物和植物的区别给出了明确的解释。但是,这一解释还需要深化,流密度矢量的集中还需要在非生命的领域找到证据。动物对信号刺激按记忆进行反应,人们对这一观点原则上可能不会有异议,但具体的细节我们却根本就不清楚。

还有许多问题本文未进行讨论,特别是遗传密码与自组织的物质能量流动的关系问题,还需要我们深入进行研究。例如,遗传密码以怎样的方式决定了生物的结构?遗传密码以怎样的方式决定了生物体中的自组织的物质能量的流动和集中过程的形式?以细胞为代表的物质能量子系统怎样组成了具有宏观过程和宏观功能的生物体这一物质能量大系统?等等。现代生物学已在这些方面进行了一些研究,例如,人们已发现了"信使"RNA及其在细胞复制过程中的作用等,但还远远不够。

显然,这里的猜想或解释是走马观花式的,许多细节未来得及进行讨论,许多解释也只不过是匆匆给出简短的说明,而未进行深入的探讨。我认为,现有的物理学还未准备好来全面细致的解释所有的生命现象。生命现象对于物理学而言,是一个新的研究领域。在生命现象的物理解释方面,物理学面临着许多急待解决而又十分棘手的新问题。物理学需要为生命现象的解释而进一步向前发展。

我们这里讨论一下热力学中的问题。实际上,自从热力学第二定律提出以后,生命现象的物理学解释才真正找到了解释的立足点和出发点。但是,有人却错误的将生物变异所产生的生物物种的多样化、复杂化看成是熵减或有序化的一种表现,这说明,人们对熵减过程的理解还有偏差。即使是关于自组织的物质能量流动与集中过程,耗散结构理论和自组织系统理论也只不过是根据现象指出了这一自组织的物质能量流动的存在,而未对其从热力学的角度、或统计物理的角度给出任何解释。耗散结构理论发源于热力学,但它们还研究了像城市这样的耗散结构。从某种意义上讲,耗散结构理论和自组织系统理论更应该属于系统科学,而不是纯粹的物理学。耗散结构理论讨论是最详细的一个案例就是贝纳德对流,但在贝纳德对流中,当上下两个平板热源的温度差大于某个阈值时,水分子的无规则热运动中的某个初始向上流动的分子束,以怎样的机制"影响"了周围的高温水分子,使得这些高温分子汇聚到这一向上流动的分子束之中,加强了这一集体向上的分子流动,我们是不清楚的。这种"影响力"是一种什么性质的"力",它产生的原因或条件是什么,耗散结构理论并未给出任何说明。可见,自组织的物质能量流动过程的物理实质是什么,我们还有待于进一步研究。

就是简单的纯粹熵增过程,我们目前也不能从微观角度给出动力学方面的解释。热力学的动力学解释一直是人们争论的焦点。玻尔兹曼关于熵增过程的统计解释提出之后,玻尔兹曼的那个著名的"H定理"发表之后,人们的争论就一直没有停止过。我们知道,热力学的过程是不可逆的过程,熵只能自发的增大,而不会自发的减少,除非有更大的熵增过程与熵减过程伴随。但不论是经典力学,还是量子力学,给出的所有物理过程却都是可逆的。我们不可能从可逆的力学定律出发,得出气体分子运动或其它宏观物质运动不可逆的结论。这就是所谓的"洛喜密脱可逆性佯谬"。微观粒子运动的可逆性与宏观现象的不可逆性形成了强烈的反差,显示出热力学与动力学之间的深刻矛盾。我在《气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响》一文中指出,理想气体的模型、分子不可区分的假设也与气体趋向平衡的过程存在着明显的矛盾,用理想气体模型无法解释气体趋向平衡的过程。由于气体分子是一个一个孤立的小球,分子的运动状态与其它分子无关,分子之间的碰撞也仅与参与碰撞的分子有关,与其它分子无关,因此,当两箱具有不同温度的气体混合后,即使分别属于两箱的气体分子之间发生了碰撞,但我们也可以将其看成是同一箱的气体分子在发生碰撞。因此,气体不能到达一个新的平衡态,而是仍然维持原有的两个独立的平衡态,两箱气体之间不会出现宏观的热量传递。

为了解决气体分子趋向平衡过程中上述矛盾,为了解释贝纳德对流中高温分子束怎样影响了周围的高温分子使其向高温分子束的汇聚,为了说明不可逆的熵增过程,我们可能要认为,分子在碰撞过程中,不仅受到参与碰撞的分子的影响,还受到了周围其它分子的影响。单个分子之间的碰撞与物质的宏观性质有关。气体的宏观热力学状态在某种程度上影响了单个气体分子之间的碰撞过程,而单个分子之间的碰撞又改变了气体的宏观状态。

实际上,动力学中的可逆性与物质和能量的守恒定律相一致,但热力学第二定律,以及线性热力学中所讨论的广义热力学力和广义热力学流之间的关系,各种物质能量集中动力和集中流动之间的关系,是用于确定守恒的物质和能量的流动方向和方式的,这种定律或关系应与物质能量的守恒定律处在同等重要的位置上,并且不能被物质能量守恒定律或基于守恒定律的其它理论所解释。可以认为,物质能量流动是由一种由物质能量的分布状态或物质能量流动的分布状态所确定的物质能量的"状态场"所驱动。在《熵改变与物质能量的扩散或集中》一文中,我曾将这种"状态场"描述为"能位场"。"状态场"也可以看成是关于物质能量分布信息的"信息场"。而物质能量的"状态场"或"信息场"是与物质能量本身完全不同的另一种"非能量场"。物质或能量分布的状态导致了物质或能量的扩散或集中的流动,而物质或能量的扩散或集中流动又反过来改变了物质或能量的分布状态。当物质或能量分布状态发生变化时,"状态场"也就同时发生改变。能位场或信息场对物质能量流动的影响是可以是"超距的",或是超光速的,但物质能量本身的流动速度却是有限的,它的上限值就是光速。

至此,我的关于生命现象的所有物理解释及猜想已告结束。


















附录一:   熵改变与能量的扩散或集中

摘要:本文详细讨论了熵的改变与能量的扩散或集中的关系。熵是能量空间分布的分散或集中程度的度量。熵增过程实际上是一个能量扩散过程,能量扩散,是指能量从能量密度高的空间区域向能量密度低的空间区域的流动,扩散最终使得空间的能量密度处处相同,达到"平衡"。同理,熵减过程是一个能量集中过程。由于物质是能量的携带者,因此,与熵改变对应的物质扩散或集中也是一种能量的扩散或集中。本文特别指出,热功转换过程也能用能量的扩散或集中来进行描述。

关键词:熵、能量、物质、扩散、集中

1 引言

在热力学中,热力学第二定律可以表述为熵增原理,即如果一个系统与外界没有热量交换,dQ=0,但外界可以对系统做功,功转化为系统的热,或者系统对外界做功,系统的热转化为对外的功,则这个系统经历了不可逆过程之后,系统终了状态的熵S就会大于起始状态的熵,ΔS>0。对于理想的可逆过程,ΔS=0。如果系统与外界有热量交换,则系统熵的改变量定义为:dS= dQ/T。这里,dQ为外界输入系统的热量,T为系统的温度,这里要求dQ的输入不会引起温度T的变化。

关于熵的更深层次的物理含义,玻尔兹曼给出了著名的几率解释,即熵S是系统的热力学几率W的函数,S=KlnW,K为玻尔兹曼常数。系统对应的热力学几率越大,系统内各元素的状态就越难确定,系统的"无序"程度也就越大。熵增过程是系统从小几率的状态向大几率的状态的变化过程,也就是系统从有序走向无序的过程。信息论的创始人仙农在这一解释的基础上,进一步将熵与系统所包含的信息量联系了起来。关于系统的信息越多,系统的确定程度就越高,系统的熵就越少。

本文认为,熵是能量空间分布的分散或集中程度的度量。熵增过程实际上是一个能量扩散过程,能量扩散,是指能量从能量密度高的空间区域向能量密度低的空间区域的流动,扩散最终使得空间的能量密度处处相同,达到"平衡"。同理,熵减过程是一个能量集中过程。由于物质是能量的携带者,因此,与熵改变对应的物质扩散或集中也是一种能量的扩散或集中。

将熵增解释为能量扩散是显而易见的。实际上,克劳修斯在提出熵增原理后就曾指出,与熵增对应,能量密度的差异倾向于变成均匀。能量分布得越均匀,熵就越大,一个体系的能量完全均匀分布时,这个系统的熵就达到最大值。熵增过程使得能量发生了耗散,一部分能量不能再来用于做功了,能量的"品质"退降了。能量尽管守恒,能量仍然存在,但经过熵增过程后,能量变得"不可用了"。

但是,笔者未见有人就此问题进行深入的数学分析。热传递显然是能量的扩散,物质的扩散也对应着能量的扩散。但对热功转换过程用"能量的扩散或集中"来进行描述,用"能量密度的改变"来进行描述,却似乎有些困难。本文将特别指出,热功转换过程也能用"能量的扩散或集中"或"能量密度的改变"来进行描述。

2 熵增的能量扩散解释

热传递过程是不可逆的熵增过程,在这一过程中,我们讨论的系统包括一个高温区域和一个低温区域,整个系统与外界没有热量交换,但在系统的内部,热量,即能量从高温区域流向了低温区域。温度越高,单位体积中的内能就越多,能量密度也就越大。因此,热传递过程是一种能量扩散过程。

物质扩散过程也是不可逆的熵增过程。由于物质是能量的携带者,因此,物质扩散也是一种能量的扩散。本文后面将对气体体积膨胀过程中的物质或能量的扩散给出详细的讨论。

这里,需要解释的是热功转换。如果热功转换过程可以用能量的扩散或集中给予解释,则所有的熵变过程就都可以用能量的扩散或集中给予解释。我们以经典的热机做功过程为例进行讨论。在热机做功过程中,我们讨论的系统包括高温T1热源、低温T2热源和做功的工作物质,这一系统与外界没有热量交换,但系统对外做了功,设为W。在这一过程中,热量Q+W从高度T1热源传出,其中一部分Q传递到了低温T2热源,另一部分W对外做了功。设Q和W均很小,它们的传入和传出不会引起T1和T2的改变。根据熵的定义:dS= dQ/T,则,

T1热源的熵改变量为:▽S1= -(Q+W)/ T1<0,

T2热源的熵改变量为:▽S2= Q/ T2>0,

做功的工作物质在做功结束后,状态恢复为做功前的状态,熵的改变量为0。

系统总的熵改变量为:▽S=▽S1+▽S2= Q/ T2-(Q+W)/ T1>0。

我们看到,纯粹的热传递过程引起的熵增为:▽S/= Q/ T2-Q/ T1>0,

而纯粹的热转化为功的过程引起了一个纯粹的熵减:

▽S//= -W/ T1= W/∝-W/ T1<0  (∝代表无穷大温度)。

可见,纯粹的热转化为功的过程是一个熵减过程,这一过程从热传递的角度可以看作是能量W从温度为T1的区域传递到了、也即集中到了温度为无穷大的区域。同样,纯粹的功转化为热的过程是一个熵增过程,这一过程可以看作是能量从温度为无穷大的区域传递到了、也即扩散到了温度为有限值的区域。

根据热力学第二定律,没有低温热源的热机是不可能实现的,因此,没有热传递这一熵增的能量扩散过程,纯粹的热转化为功的熵减过程或能量集中过程是不可能实现的。在制冷机的制冷过程中,热量从低温区域集中到了高温区域,从而使低温区域的温度更低。这是一个纯粹的熵减过程,但是,没有外界对系统的做功,没有功转化为热的熵增过程,纯粹的制冷过程也是不能实现的。

这里,我们可以将熵的定义扩展为:dS= dE/T,dE为传入系统中的所有形式的能量,包括机械能,只要我们认为机械能所"具有"的温度为无穷大、机械能从承载机械能的系统传入或传出时引起该系统的熵改变量始终为零即可。其它与机械能类似的、不能归结为热能的能量,其所"具有"温度也可以看成是无穷大。熵改变量的计算可以为对各个系统或各个区域分别进行计算,也可以为对各个过程分别进行计算,然后再进行求和。根据熵的定义,熵是系统状态的函数,熵的改变量只与系统起始和终了的状态有关,而与系统达到终了状态的过程无关。只要系统的起始和终了状态相同,无论系统经历了何种过程,系统的熵改变量都相同。过去,熵增原理所成立的系统是一个与外界没有热量交换,但可以有热功转换的系统。现在,我们可以把熵增原理成立的系统扩大到包含有承载机械能的物体的系统,这一扩大了的系统与外界即无热量交换,也无热功转换,因而与外界无任何形式的能量交换。这一系统内部经历了不可逆过程之后,系统总的熵改变量大于零。

为了进一步理解熵增与能量扩散之间的等效关系,我们还可以引进一新概念,即"能位"。定义某一系统或区域的熵S为该系统或区域内的能量E与该系统或区域的能位Φ的乘积的负值,即S=-EΦ。当同一能量处在能位为不同值的区域时,就具有了不同的熵。能位是一个与能量密度有关的量,空间某点能量密度越大,该点的能位也就越高。不同区域之间具有能位差Φ2-Φ1,能量E从能位为Φ1的区域传递到能位为Φ2的区域,熵的改变量为:▽S=S2-S1=-EΦ2-(-EΦ1)。熵增过程就是能量从高能位的区域向低能位的区域流动的过程。在热传递和热功转换过程中,Φ=-1/T,温度越高,能量密度越大,能位也就越高。对于机械能,温度为无穷大,能位为最大值零。但是,在温度不变的不可逆过程中,如气体的等温膨胀或自由膨胀过程中,能位就与温度无关,但是,我们后面将会看到,此时能位仍然与能量密度或物质密度有关,能量密度或物质密度越大,能位仍越高。

按照玻尔兹曼所给出的熵的几率解释,对于机械能,由于只有一个热力学状态,不论用于做功的机械能为多少,W恒为1,因此,S=KlnW=0恒成立,熵的改变量也恒为零。这与上述的机械能的能位恒为零,温度恒为无穷大,机械能从承载机械能的系统传入或传出时引起该系统的熵改变量始终为零的说法完全一致。

3 气体体积膨胀过程中的能量扩散

气体的体积膨胀是物质扩散的一个特例。在我们前面讨论的热机做功过程中,由于做功的工作物质在做功后状态恢复为做功前的状态,体积没有改变,因而当存在热转化为功的能量集中过程时,还必须要有一个热传递的能量扩散过程存在。当不存在热传递时,系统对外做功,则必须同时还要有一个熵增的工作物质的体积膨胀过程。没有热传递的气体体积膨胀对外做功过程就是气体的绝热膨胀做功过程。设气体的温度为T,压强为P,气体的体积改变量为dV,气体对外做功为dW=PdV,做功所需的能量由气体的内能提供,导致了气体所含热量的减少。纯粹的热转化为功引起的熵减为:

dS1= PdV/∝-PdV/T=-PdV/T    (∝代表无穷大温度)。

因为理想的绝热膨胀过程是可逆过程,系统的总熵变为零,故气体的体积膨胀过程引起的熵增为dS2= PdV/T。总熵变dS= dS1+ dS2=0。

在气体等温膨胀过程中,气体的温度不变,内能不变,体积增大,对外做功,做功所需要的能量dW由温度为恒温T的热源提供。该热源不仅向气体传递了热量dW,并通过气体的膨胀转变为对外做的功,同时也保证了气体的温度恒定为T。气体除了体积增大外,再无其它变化。理想的等温膨胀过程是可逆过程。纯粹的热转化为功引起的熵减为dS1 =-PdV/T。气体的体积膨胀过程引起的熵增为dS2= PdV/T。

在气体的自由膨胀过程中,气体的温度不变,体积增大,压强减少,但并未对外做功,因此,这是一个仅仅因体积膨胀而熵增的过程。由于熵变与过程无关,仅与变化前后的气体状态有关,我们就可以用等温膨胀过程来计算自由膨胀过程中的熵变。因此气体自由膨胀过程的熵变仍为dS=PdV/T>0,气体自由膨胀是不可逆过程。

综上所述,可以看出,不考虑别的因素,气体仅仅因体积膨胀引起的熵增为PdV/T。对气体而言,温度T和体积V就可以完全确定气体的状态。显然,在这里,能位已不再能用温度T的函数Φ=-1/T来表示了,因为V和T的变化都能独立的引起能量的扩散或集中。V的变化,对于一个确定的地点来说,也就是物质密度的变化,而物质是能量的携带者,因此,物质密度的变化,也就是能量密度的变化。如果仅存在V的变化而T不变时,如气体的自由膨胀过程,能位就应该是能量密度或物质密度的函数。

下面我们具体的计算理想气体的自由膨胀过程中的能位 。 为能量密度,E为气体的总能量,在膨胀过程中E值不变。设膨胀前气体的体积为V1,膨胀后体积为V1+ V2,根据理想气体的状态方程PV=nRT,n为气体的摩尔数,自由膨胀过程中,n值不变,R为摩尔气体常数,故自由膨胀过程中的熵变为:

            (1)式

设体积V1中的能位为Φ1,能量密度为 ,体积V2中的能位为Φ2,能量密度为 。初始状态下, , ,终了状态下, 。在膨胀过程中,由V1传递到V2中的能量微分为 。根据能位的定义式 ,膨胀过程中熵的改变量为:



设 为 的不定积分,因为 和 的形式相同,故二者的不定积分形式也应相同,因此,上式可写为:

                (2)式

如果我们令 ,比较(1)式和(2)式,可得:

                                             (3)式

应用数学中求极限的罗必答法则,可以证明当 趋向于零时,(3)式表示的 的极限是零,与前面我们令 完全一致。

由(3)式可得能位的一种表达式为: 。

由于我们关心的是不同区域能位的差值,因此,为了方便,我们可以令:

                                             (4)式

(4)式就是我们所求得的气体自由膨胀过程中的能位表达式。式中,n、R、E均是常量或常数,能位仅与能量密度 有关。

在气体的自由膨胀过程中,能位差为: ,由于 ,故 ,可见,能量密度越大,能位越高。气体的自由膨胀过程是能量从高能位的区域向低能位的区域流动的过程。

设物质密度为 ,则我们有 , ,可见,这里的能位仅与物质密度 有关,物质密度越大,能位越高。

实际上,我们可以不必考虑气体自由膨胀的具体过程,直接由膨胀前后的两个状态求出能位的上述表达式。气体膨胀后,气体由能量密度为E/V1的状态改变为能量密度为E/(V1+V2)的状态,或者说,气体的总能量E由能量密度为E/V1的区域流动到了能量密度为E/(V1+V2)的区域,根据能位的定义式及(1)式,膨胀过程中的熵改变量为:

因此,能位的表达式为: ,C为一常量,因为我们只关心能位差,为了方便,令C=0,则我们又可获得: 。

由于能位仅与系统的状态有关,而与系统达到这一状态的过程无关,因此,上述的能位计算公式也可适用于气体的等温膨胀过程,适用于同一个气体系统的一切温度相同,仅体积不同,因而也压强不同的两个气体状态之间的能位差的计算。

4 能量扩散导致能量集中

熵增原理是针对于一个与外界没有物质和能量交换的独立系统而言的,在这一系统内部,当系统经历了不可逆的过程之后,整个系统的熵是增加的。熵增过程实际上是物质和能量的扩散过程。但是,通过上面各节的讨论可以看出,熵增原理并不排除独立系统内部某些过程在某一时间段内出现熵减,出现物质和能量的集中,只要系统在其它同时存在的过程中有熵增的物质能量扩散存在,并且使得整个系统的熵是增加的,系统内部物质能量扩散和集中的总效果仍然是物质能量的扩散即可。在热机做功、气体的绝热膨胀或等温膨胀做功的系统中,纯粹的做功过程就是能量集中的熵减过程。制冷机中的纯粹制冷过程也是纯粹的熵减过程。

熵增过程,或物质能量的扩散过程是自发产生的,只要系统内部各部分之间能量或物质分布不均匀,存在着物质或能量密度的梯度,则物质能量的扩散过程就会自动发生。但是,系统内部某些"区域"或过程出现熵减的物质能量集中过程,却是要有一定的条件的。可以看出,系统内部某些"区域"或子系统出现熵减过程的基本前提,是系统内部各部分之间能量或物质分布存在一定的不均匀,系统必须远离平衡态;并且,系统内部还必须要有一个熵增的物质能量扩散过程存在,从而使得整个系统的熵总是增加的。至于这一熵增的物质能量扩散过程是在怎样的条件下,通过一个怎样的机制导致了系统内部其它"区域"或子系统出现了熵减的物质能量集中过程,我们目前还不十分清楚。

在热机做功过程中,要使纯粹熵减的做功过程稳定存在,系统就必须要有一个稳定维持着的高温热源和低温热源存在,即必须要有一个温度梯度存在,系统必须要远离平衡态;同时,系统还必须要有一个稳定维持着的热传递过程存在。如果系统内部的温度梯度已不存在,热传递过程结束,则纯粹做功的熵减过程也就会随之结束。同理,在制冷机的制冷过程中,要使制冷过程稳定存在,则系统中必须要有一个能源持续做功,将功转化为热,系统必须要有一个"温度为无穷大的热源"稳定存在。如果系统中做功的能源能量已消耗尽,则制冷过程也就会随之结束。在气体的绝热膨胀或等温膨胀做功过程中,与纯粹熵减的做功过程相联系的是一个熵增的气体体积膨胀过程。如果导致气体体积膨胀的物质密度梯度已不存在,则做功过程也就会随之结束。

如果我们仅讨论产生熵减的物质能量集中区域或子系统,则我们看到,要使这一子系统出现物质能量集中,则必须要有一个熵增的物质能量扩散的流动穿过这一子系统,或者说,该子系统与外界要有物质和能量的交换,该子系统必须是一个开放系统。例如,在包括有高温热源、低温热源、工作物质以及承载功的物体的热机做功的大系统中,如果我们仅讨论工作物质和承载功的物体的子系统,则我们发现,这一子系统的熵是减少的,同时,我们发现,这是一个与外界的高温热源、低温热源有热传递的开放系统。但是,在气体的绝热膨胀或等温膨胀做功过程中,我们就很难分离出一个仅仅存在做功的或熵减的子系统来。

如果系统与外界有物质和能量的交换,而我们不考虑系统内部的熵增,仅仅讨论因外界的物质能量输入或输出而引起的熵改变,则根据熵的定义dS= dE/T,当系统有能量输入时,系统的熵就会增加,当系统有能量输出时,系统的熵就会减少。如果不考虑系统体积的变化,则能量输入,必然导致能量密度的增加,但这种能量密度的增加并不一定就是能量的集中,而可能是能量的扩散。当我们将输入能量的能量源包含到我们所讨论的系统中时,我们就会发现这一能量输入过程究竟是能量的扩散还是能量的集中。但是,对不包含能量源的子系统而言,能量的输入必然导致该子系统熵的增加。

有些热力学文献中曾使用"熵流"这一概念来讨论系统熵的变化,并指出系统的熵由系统内部的自发熵增和外界"流入"系统的熵两部分构成。但是,熵并不是一个守恒量。实际上,所谓的"熵的流动"就是物质和能量的扩散或集中,是物质和能量流动过程中所表现出的一种特性。

普里高津的耗散结构理论曾指出,对于一个远离平衡状态的开放系统,系统与外界存在有物质和能量的交换,则在外界条件达到一定的阀值时,系统内部就可能会出现熵减过程,系统就可能从无序走向有序。普里高津将这种能够产生负熵的系统称为耗散结构。显然,热力学第二定律并不排斥系统内部出现"区域性"的短期物质能量集中或熵减。本文这里的讨论与普里高津的耗散结构理论完全一致。但是,本文这里并没有涉及到耗散结构理论中的系统从无序走向有序的自激励、自组织模式。

我们看到,导致系统内部出现自发熵增的原因是物质和能量分布的不均匀,这种不均匀我们可以用一个"能位场"来描述,物质密度或能量密度大的区域,能位也就越高。能位场并不像电磁场那样,场本身是一种能量。能位场是一种"非能量场",能位场只是一种物质或能量的分布状态,或者说,能位场是一个物质或能量分布的"状态场"。我们甚至于还可以说,能位场是一个有关物质能量分布状态信息的"信息场"。物质或能量分布的状态导致了物质或能量的扩散或集中流动,而物质或能量的扩散或集中流动又反过来改变了物质或能量的分布状态。当物质或能量分布状态发生变化时,能位场也就同时发生改变。但是,物质或能量的扩散或集中流动却仅仅由这部分物质或能量附近的能位场确定,与远处的能位场无关。而且,物质能量的流动速度有一个上限,这就是光速。能位场确定了物质能量流动的方向。能位场对物质能量流动的影响,对物质能量扩散或集中的影响不是一个能量的传递过程,而只是一个信息传递的过程,在这种影响过程中,不消耗能量,或者更准确的说是不扩散能量,能量的消耗或者说扩散只发生在由能位场所确定的能量流动过程中。我们甚至可以说,能位场或信息场对物质能量流动的影响是"超距的",或是超光速的。确定出物质能量流动方向的热力学第二定律,以及其它所有与物质能量的集中或扩散有关的物理定律,与物质能量在流动过程中所具有的物质能量守恒定律应处在同等重要的地位上,而且,也不能用物质能量守恒定律或与守恒等效的物理理论给予解释。

导致系统内部某些区域或子系统出现熵减或物质能量的集中的原因或动力是系统内部的另一个物质能量扩散的流动。至于这一物质能量扩散的流动通过怎样的机制引发了一个物质能量的集中流动,这一问题还有待于深入研究。

                 























附录二: 气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响

摘要:本文认为,理想气体模型与气体趋向平衡的过程之间存在着明显的矛盾,用理想气体模型无法解释气体趋向平衡的过程。根据理想气体模型,当两箱具有不同温度的气体混合后,气体不能到达一个新的平衡态,而是仍然维持原有的两上独立的平衡态,两箱气体之间不会出现宏观的热量传递。为了解决这里的矛盾,我们就不得不承认,气体分子在碰撞过程中,不仅受到参与碰撞的分子的影响,还受到了周围其它分子的影响。单个分子之间的碰撞与气体的宏观性质有关。气体的宏观热力学状态在某种程度上决定了单个气体分子之间的碰撞过程,而单个分子之间的碰撞又改变了气体的宏观状态。为了说明理想气体模型与气体趋向平衡过程的矛盾,并将这一矛盾与玻耳兹曼在对气体趋向平衡过程进行解释时所遇到的矛盾进行比较,本文还讨论了玻耳兹曼对气体趋向平衡的过程所做出的解释。

关键词:理想气体模型、气体趋向平衡过程、玻耳兹曼的H定理

1 引言

在统计物理学及气体分子运动论中,我们假设不论是平衡态还是非平衡态,气体分子都处在不断运动之中,分子的运动遵守经典力学中质点的运动规律;气体分子是弹性小球,分子之间除发生弹性碰撞外,再无其它相互作用;由于气体比较稀薄,只会出现两个分子之间的碰撞,不会出现三个或更多分子同时碰撞在一起的情况;当气体分子未碰撞时,分子在作匀速直线运动,分子的运动状态与周围其它分子无关,而当气体分子发生碰撞时,分子的运动状态仅与参与碰撞的分子有关,也与周围其它分子无关。这种简单的模型便是所谓的"理想气体模型"。关于气体的这一假设在许多方面取得了成功,我们可以解释许多与气体有关的现象。但是,通过本文的讨论,我们将要看到,这一假设在解释气体包括理想气体由非平衡态到平衡态的转化过程时,却遇到了困难。当两箱具有不同温度的理想气体混合在一起时,原来的两个平衡系统将转变为一个新的平衡系统,但是,这一过程却与理想气体模型生产了矛盾。为了解决这里的矛盾,我们就不得不承认,气体分子在碰撞过程中,不仅受到参与碰撞的分子的影响,还受到了周围其它分子的影响。单个分子之间的碰撞与气体的宏观性质有关。气体的宏观热力学状态在某种程度上决定了单个气体分子之间的碰撞过程,而单个分子之间的碰撞又改变了气体的宏观状态。

玻耳兹曼曾对气体趋向平衡的过程进行过仔细的研究,并获得了一个与热力学中的熵增原理相当的"H定理"。这被认为是对气体趋向平衡过程的微观解释。但这一解释却与力学规律相矛盾。为了说明理想气体模型与气体趋向平衡的过程的矛盾,并将这一矛盾与玻耳兹曼在对气体趋向平衡过程进行解释时所遇到的矛盾进行比较,我们有必要首先讨论一下玻耳兹曼对气体趋向平衡过程的解释。

2 玻耳兹曼的H定理与经典力学的矛盾

   实际上,关于气体趋向平衡过程的力学解释,关于熵增原理的力学解释,关于热力学的力学解释,一直是一个争议不休的未解决的问题。

我们知道,对于气体在平衡态下的各种宏观性质,根据理想气体模型,统计物理学已给出了圆满的统计解释。但是,这种解释的依据,并不是经典的力学规律,而是关于气体微观状态某些统计方面的假设。例如,关于正则系综的微观运动状态的分布函数,玻耳兹曼是依据最可几的分布求得的,而吉布斯则是从两个偶合系统热平衡时微观运动状态的分布相互独立这一假设求得的,因此,正则分布描述的是与另一个系统达到热平衡的系统。但是,系统为什么要趋向最可几分布,或偶合系统为什么要趋向平衡态,热平衡时两个系统的微观运动状态的分布为何相互独立,在求得正则系综微观运动状态分布函数时却没有给出任何说明。

玻耳兹曼根据上述的理想气体模型,试图从统计物理学角度解释气体从非平衡趋向平衡的过程,并获得了一个关于气体非平衡态的微观运动状态分布函数的"玻耳兹曼积分微分方程",然后,玻耳兹曼定义了一个函数H,并根据他获得的积分微分方程,证明了 ,这就是著名的"玻耳兹曼H定理"。函数H与热力学中的熵S相当,因此,玻耳兹曼认为,他从微观的角度,从气体分子运动的角度解释了热力学中的熵增原理[1]。

玻耳兹曼的解释提出后,立即引起了人们激烈的争论。玻耳兹曼是从经典力学的角度解释了熵增原理吗?洛喜密脱(Loschmidt)认为,根据经典力学定律,在保守力的作用下,任何运动都是可逆的,对于任何一个过程,都有一个对应的反向过程,函数H随时间t单调减少与微观运动的可逆性相矛盾。当时间反演时,即当我们用"-t"来代替时t时,力学定律的形式不会改变,因此,我们不可能从可逆的力学定律出发,得出气体分子运动不可逆的结论。这就是所谓的"洛喜密脱可逆性佯谬"。在量子力学中,薛定谔方程的形式在时间反演时也是不变的。

彭加勒(Poincare)曾证明了一个定理:一个保守力学系统,不论这个系统中含有多少个子系统,在足够长的时间后,系统将会回到其起始运动的状态。因此,具有多个分子的气体系统,在经历了足够长的时间后,也应返回到其原始状态。显然,彭加勒定理与洛喜密脱的运动可逆性论断一致,而与玻耳兹曼的H定理相矛盾。

实际上,洛喜密脱的运动可逆性论断及彭加勒定理揭示出的是热力学规律与力学规律之间的矛盾。玻耳兹曼的H定理本身并无问题,但是,H定理的依据却不完全是经典力学规律,在它的证明过程中,还隐藏了统计方面的规律。与其说H定理是运用经典力学对热力学做出的解释,还不如说是运用统计的方法对热力学做出的解释。玻耳兹曼自己也承认了H定理的统计性质。力学规律与热力学规律的矛盾,也可以说成是力学规律与统计规律之间的矛盾。

我们用一种简化的方式来讨论一下玻耳兹曼的H定理的统计性质[2],这一简化的方式与玻耳兹曼所给出的H定理的原始证明实质是一致的。设有两箱不同宏观状态如不同温度的气体,当把它们混合后,气体中的分子碰撞将导致气体趋向于一个新的平衡状态,这时气体的温度是原来的两箱气体温度的平均值。但是,我们不能事先就假定气体将趋向于这一新的平衡态,而应该从气体分子的运动规律来导出这一结果。我们对所有的气体分子进行分类,并研究所有碰撞中的A、B两类碰撞,其中A类碰撞将两个a类分子转化成两个b类分子,B类碰撞将两个b类分子转化成两个a类分子。根据统计规律,单位时间内发生A类碰撞的次数 与整个气体系统中a类分子的数目成正比,即与a类分子的分布函数 成正比, ,同样 。显然,A类碰撞和B类碰撞应遵守相同的力学规律,上述两式中的比例常数应相同, 。因此,单位时间内a类分子的分布函数 的变化率为:

   (式中求和为对所有分子类别求和)   (1)式

(1)式与"玻耳兹曼积分微分方程"相当。现在我们定义一个描述气体宏观状态的函数H:

                                                   (2)式

下面计算 ,并在计算中将(1)式代入:

            (3)式

同样我们有:

                               (4)式

将(3)式和(4)式相加得:

                          (5)式

在(5)式中,当 时, ,当 时, ,因此恒有: 。这样,我们就得到了玻耳兹曼的H定理。

定义 ,则有 ,

并且恒有                                                         (6)式

可见,在对所有的分子类别求和之前,已经有 。而导致 的根本原因,是我们前面假定的单位时间内发生A类或B类碰撞的次数与整个气体系统中a类或b类分子的数目成正比。只要a类分子的数目多于b类分子的数目,尽管同时存在着A类碰撞和B类碰撞,将a类分子转化成b类分子或将b类分子转化成a类分子,但由于单位时间内的A类碰撞次数多于B类碰撞次数,因此,将有更多的a类分子转化成b类分子,最后,a类分子的数目与b类分子的数目相等,系统达到平衡。而且,只要我们假定单位时间内发生A类或B类碰撞的次数与整个气体系统中a类或b类分子的数目成正比,则这一宏观过程就不可逆,系统就不可能返回到a类分子数目多于b类分子数目的状态。一旦出现a类分子数目多于b类分子数目的情况,则更多的A类碰撞就会将多出的a类分子转化成b类分子。

另外,我们看到,导致气体宏观状态函数H不断减少或熵S不断增加的原因是a类分子多于b类分子,即气体的微观运动状态分布不均匀,或不是最可几分布。如果a类分子与b类分子数量相同,则函数H的值就不会改变。例如,两箱气体在刚刚开始混合时,两箱气体具有不同的温度,即两箱中的气体分子具有不同的平均平动动能,而两箱气体混合后的最可几分布状态是它们具有同一个温度,即两箱中的气体分子应具有相同的平均平动动能。因此,从宏观的角度看,两箱气体混合后,存在宏观的热传递,热量从高温气体传递给了低温气体。

如果我们认为发生某类碰撞的两个分子不是同一类分子,碰撞后这两个分子也不被转化为同一类分子,如发生A类碰撞的是a1和a2两类分子,碰撞后这两个分子被转化成b1和b2两类分子,仍能进行上述的讨论,仍能得出相同的结论,只不过讨论比较烦琐一些而已。

可以看出,导致玻耳兹曼的H定理成立的原因并不完全是经典力学规律,而是统计方面的规律,是因为我们从统计的角度认为单位时间内发生某类碰撞的次数与整个气体系统中该类分子的数目成正比。从微观的角度讲,在H定理中,并未否定经典力学中的运动可逆性论断,并未否定某种碰撞的逆过程存在,B类碰撞就是A类碰撞的逆过程。但是,由于出现某类碰撞的几率与能够发生这类碰撞的分子数目成正比,致使许多A类碰撞的逆过程并未发生,而且,整个气体系统的宏观逆过程也未发生。但是,无论如何,玻耳兹曼的H定理仍然与彭加勒定理相矛盾。

3 理想气体模型与气体趋向平衡过程的矛盾

  上述的玻耳兹曼H定理与经典力学的矛盾已经得到了人们的广泛讨论。但是,关于理想气体模型与气体趋向平衡过程的矛盾,却未得到人们应有的重视。这一矛盾是显而易见的,也许人们早已知道这一矛盾,但对它的重要性却认识不足。

   设两箱气体除温度不同外,其它性质均相同,它们是同一种分子的气体,分子的质量为m,并设两箱气体具有相同的分子数N。为了讨论方便,我们将一箱气体分子设想成红色,并设这箱气体的温度为T1,而将另一箱气体分子设想成绿色,设这箱气体的温度为T2。在两箱气体混合前,两箱气体处于不同的平衡态。根据气体分子的麦克斯韦速度分布定律,红色气体的分子运动速度v的分布函数dN为:

                                    (7)式

而绿色气体的分子运动速度分布为:

                               (8)式

当把两箱气体刚刚混合时,气体的分子运动速度分布为:

               (9)式

混合后的气体经过一段时间后,气体中的分子碰撞导致气体趋向于一个新的平衡状态,这时气体的温度是原来两箱气体温度的平均值。 ,因此,平衡后气体的分子运动速度分布为:

                                    (10)式

上述各式中,K为玻耳兹曼常数。根据(10)式,混合的气体在平衡时,最可几速度为 ,即在这一速度附近,有一个分子数量的峰值。而根据(9)式中,在两箱气体刚刚混合时,在 和 处,各有一个分子数量的峰值。因此,在气体趋向平衡的过程中,必定存在具有较高能量的分子和具有较低能量的分子之间的碰撞,能量由高能分子传向了低能分子。这种分子碰撞的结果,使得在 和 处的分子数量减少,而在 处的分子数量增多,最后使分子运动速度分布由(9)式转变为(10)式。这种碰撞产生的宏观效应就是气体的宏观热传递,热量由高温气体传向了低温气体。

我们知道,在两箱气体混合前,气体分子也在不断进行着碰撞,气体分子的碰撞并不改变(7)式或(8)式的速度分布函数。因此,当两箱气体混合后,同一颜色的分子发生碰撞并不会使(9)式改变,而使得(9)式转变为(10)式的碰撞,必定为不同颜色的分子之间发生的碰撞。设有一个速度为v1的红色分子与一个速度为v2的绿色分子发生碰撞,并使(9)式发生了变化。我们知道,分子速度的分布是一个连续函数,在任何速度值上都有具有这一速度的分子,只不过具有某些速度的分子数会多一些,而具有另一些速度值的分子数会少一些,因此,红色分子中也必定有一个速度为v2的分子。由于两个颜色的分子实际上是同一种分子,红色分子与绿色分子的区别,只是我们假设了其颜色不同,我们将使(9)式变为(10)式的碰撞中的那个速度为v2的绿色分子和一个速度为v2的红色分子进行调换,即将它改涂为红色,而将一个速度为v2的红色分子改涂为绿色,则使(9)式变为(10)式的碰撞就被对换成两个红色分子之间的碰撞,这种碰撞就不能使(9)式发生变化。如果我们将所有的使(9)式变为(10)式的碰撞中的绿色分子对换成红色分子,则(9)式就永远也不会变为(10)式,两箱具有不同温度的气体混合后,永远也不会达到(10)式所表示的平衡态。

也许有人会反对说,可能同时会有多对使(9)式变为(10)式的碰撞出现,如同时出现多个速度为 的红色分子与速度为 的绿色分子的碰撞,但红色气体中没有足够的速度为 的分子与绿色分子进行调换,因为红色气体在速度为 处并不像绿色气体那样出现一个分子数量的峰值。实际上,多对碰撞绝对的同时发生是不可能的。只要碰撞不是绝对的同时进行,开始时我们只需一个速度为 的红色分子,就能将所有的速度为 的绿色分子对换成同一速度的红色分子。因为当进行了一次对换后,红色气体仍遵守(7)式的速度分布,红色气体中仍然至少有一个速度为 的红色分子,可以继续进行对换。

另一个反对意见是可能会发生多个分子同时撞在同一位置的情况,即气体分子不仅会发生两个分子间的碰撞,也会发生多个分子间的碰撞。但是,只要参与一次碰撞的绿色分子不是很多,我们仍可以进行分子对换。除非参与某次碰撞的绿色分子数量足够多,而红色气体中没有这样多的分子与其进行对换。但是,如果气体非常稀薄,就不会出现多个分子同时碰撞在一起的情况。

显然,这里出现的矛盾其主要原因在于我们所采用的理想气体模型。根据理想气体模型,气体分子是一个一个孤立的小球,分子的运动状态与其它分子无关,分子之间的碰撞也仅与参与碰撞的分子有关,与其它分子无关,由于绿色分子和红色分子是同一种分子,因此,我们就完全可以将同一速度的绿色分子与红色分子进行对换。可见,理想气体模型与气体趋向平衡的过程之间存在着明显的矛盾,用理想气体模型无法解释气体趋向平衡的过程。根据理想气体模型,当两箱具有不同温度的气体混合后,气体不能到达一个新的平衡态,而是仍然维持原有的两上独立的平衡态,两箱气体之间不会出现宏观的热量传递。

这里的矛盾是理想气体模型与气体趋向平衡过程的矛盾,与气体碰撞过程中所应遵守的力学规律如能量和动量守恒定律无关。而玻耳兹曼对气体趋向平衡的解释所遇到的矛盾是统计原理与力学规律的矛盾。这里的理想气体模型与气体趋向平衡过程之间矛盾是显而易见的,但却未得到人们应有的重视。

4、气体的宏观状态对单个气体分子运动的影响

前已指出,导致这里的理想气体模型与气体趋向平衡过程矛盾的根源,是理想气体模型中我们假设了单个气体分子的运动状态仅与同它碰撞的分子有关,而与周围其它分子无关。显然,为了解决这里的矛盾,我们就必须承认,气体分子在碰撞过程中,不仅受到与它碰撞的分子的影响,还受到了周围其它分子的影响。单个分子之间的碰撞与气体的宏观性质有关。气体的宏观热力学状态在某种程度上决定了单个气体分子之间的碰撞过程,而单个分子之间的碰撞又改变了气体的宏观状态。

在某个气体分子周围多大的距离范围内的其它分子会对这一气体分子与其它分子的碰撞产生影响呢?至少,这一范围应能显示出气体的宏观热力学状态或性质,应能显示出该范围内的气体是处于平衡态还是非平衡态。至于这一范围内的气体宏观状态通过怎样的机制影响了单个气体分子之间的碰撞,我们目前还不清楚。至少这种影响机制不能归结为或等效为经典理论下的气体分子之间的弹性碰撞。


参考文献:

[1]熊吟涛. 1981.《统计物理学》.人民教育出版社.P207

[2]欧阳容百.1998.《非平衡统计物理学》.南京大学出版社.P114



           














附录三:    关于气体热平衡过程力学解释的猜想

摘要:本文猜想,当气体处于非平衡态时,球状的气体分子在碰撞后,分子轨道将可能不在碰撞前的轨道平面上;分子动量分量的改变,可能不只发生在碰撞时刻的两个分子的球心连线方向上。气体分子碰撞后的运动速度和运动方向会因周围其它分子的能量动量分布状态及分子数密度的分布状态而改变,从而使宏观的气体状态可以影响到单个分子之间的碰撞过程,并使由这种碰撞过程所组成的宏观气体运动过程变得不可逆,使气体通过分子碰撞来实现宏观热传递并趋向平衡态。

关键词:经典力学、气体热平衡过程、气体分子的弹性碰撞

1 引言

在物理学中,关于热现象的力学解释,关于热力学第二定律的力学解释,一直是一个充满争议的问题。玻耳兹曼的H定理,是至今唯一的一个关于气体热平衡过程的力学解释,但这一解释却受到人们的质疑。玻耳兹曼自己也承认了H定理中隐含着统计方面的假设。与其说H定理是用力学的观点对气体热平衡过程给出的解释,还不如说是用统计的观点所给出的解释。笔者在《气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响》一文中,曾对玻耳兹曼的H定理进行过讨论。在H定理的推导过程中,玻耳兹曼从统计的角度假设了单位时间内发生某类分子之间碰撞的次数与整个气体系统中该类分子的数量成正比,碰撞后,该类分子被转变为其它类别的分子。当然,从统计的角度看,这一假设是完全合理的,但这却引入了力学之外的其它假设。洛喜密脱指出,我们不可能从可逆的力学定律出发,得出气体分子运动不可逆的结论,这就是所谓的"洛喜密脱可逆性佯谬"。

本文猜想,经典力学并不与热力学矛盾,但是,当用能量守恒和动量守恒定律解释气体分子通过碰撞而趋向热平衡时,经典力学可能是不完备的,在现有的经典力学中,还要增加一些其它方面的假设。实际上,在用经典力学来处理具体的碰撞问题时,我们可能都在经典力学的体系外,增加了一些其它方面的假设。下面我们就来具体的讨论这一猜想。

2 关于经典力学完备性的讨论

经典力学在其适用的范围内,取得了极大的成功,在低速运动状态下,在弱引力场中,或在不涉及到量子力学的情况下,除了热现象的力学解释外,至今还未发现其它经典力学不适用的情况,这使得人们从未怀疑过经典力学在其有效描述范围内的完备性。笔者的《气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响》一文,曾讨论过理想气体的弹性碰撞模型,这篇文章认为,理想气体的弹性碰撞过程,不能导致气体趋向平衡态。本文在这里要讨论的是,经典力学对弹性碰撞过程的描述,是不是完备的?在经典的关于弹性碰撞过程的描述中,是不是还隐藏了其它假设?

让我们来根据经典力学具体分析一下两个质点的弹性碰撞过程。显然,根据经典力学,两个质点在弹性碰撞前后应遵守两个定律,一个是能量或者说是动能守恒定律,由此可以获得一个描述两个质点碰撞前后运动状态或运动速度的方程:

m1v12+  m2v22=  m1v/12+  m2v/22

式中,v1和v2是质量为m1和m2的质点碰撞前的速度,v/1和v/2是质量为m1和m2的质点碰撞后的速度。

另一个是动量守恒定律,由于动量是三维空间中的矢量,由此可以获得三个描述两个质点碰撞前后运动速度的方程:

m1v1x+ m2v2x= m1v/1x+ m2v/2x

m1v1y+ m2v2y= m1v/1x+ m2v/2y

m1v1z+ m2v2z= m1v/1z+ m2v/2z

式中,v12 =v1x2+ v1y2+ v1z2, v/12 =v/1x2+ v/1y2+ v/1z2,

V22 =v2x2+ v2y2+ v2z2, v/22 =v/2x2+ v/2y2+ v/2z2

由动能守恒和动量守恒两个定律共获得四个方程。设两个质点在碰撞前的x、y、z三个方向的分速度v1x、v1y、v1z、v2x、v2y、v2z是已知的,两个质点的质量m1、m2也是已知的,我们需要求解的是两个质点碰撞后的x、y、z三个方向的分速度v/1x、v/1y、v/1z、v/2x、v/2y、v/2z。在三维空间中,每个质点在碰撞后的速度有三个分量,因此,未知量或待求解的量共有六个。显然,四个方程是无法解出六个未知数的。如果我们把两个质点的碰撞约束在二维空间内,如台球在台球桌上的碰撞,待求的速度减少为四个,动量守恒在此二维空间内成立,加上能量守恒,我们也只能获得三个方程。只有碰撞被约束在一维空间中时,两个质点在碰撞后只有两个待求的速度,动量守恒和能量守恒在此一维空间中成立,两个方程才可求出两个未知量来。

如果能量守恒和动量守恒两个定律对于描述两个质点的弹性碰撞来说是不完备的,则能量守恒和动量守恒两个定律对于描述两个非质点,如两个刚性球之间的弹性碰撞来说,也必定是不完备的。

实际上,在经典力学中,关于二维或三维空间中的两个刚性球的弹性碰撞,在能量守恒和动量守恒之外,我们还进行了其它假设。例如,我们假设,台球在台球桌上碰撞时,当两个台球接触时,只在两个台球的球心连线方向上存在有分速度的变化,而在与此连线垂直的方向上,两个台球的分速度不变。由于重力和桌面支撑力的共同约束,台球只能在这个桌面上运动。在三维空间中,在碰撞前,两个刚性球的运动轨迹均为直线,两条直线在碰撞点上相交,两条相交直线将在三维空间中确定一个平面。我们假设,在碰撞后,两球的直线状的运动轨道,仍在碰撞前的轨道平面上,在与这个平面垂直的方向上,两球的分速度为零。另外,我们还假设,在这个特殊平面上,动量的改变只发生在碰撞时刻的两个刚性球的球心连线方向上,在与这一方向垂直的方向上,两个刚性球的动量不变。根据这些假设,我们就可完全求出碰撞后两球在各个方向上的分速度。我们把这里的能量守恒和动量守恒之外的两个假设称为"特定额外假设"。当然,这些假设对台球之间的碰撞,或其它宏观刚性球状物体在三维或二维空间中的弹性碰撞,是真实存在的。

如果发生弹性碰撞的不是两个球状刚性体,经典力学中也应有相应的、类似的两个"特定额外假设",只不过这些情况下的假设要比球状刚性体的情况复杂。

本文在这里要提出的问题是,这里的两个特定额外假设对气体分子之间的碰撞来说是真实存在的吗?这两个假设是唯一的吗?会不会还可以有其它替代这两个假设的假设?如果这两个假设可以替代,那么,在那种情况下该用那种假设?显然,即使这两个假设是合理的,但这两个假设也是独立于力学体系之外的,如果这两个假设不是唯一的,我们也还可以说,经典力学体系是不完备的。

如果两个质点在碰撞前,其运动轨道在一个平面内,如在x-y平面内,在碰撞后,如果没有其它约束,则两个质点就完全有可能在z方向上也取得分速度,只要我们承认m1 v/1z=-m2 v/2z,则仍符合动量守恒定律。同样,如果两个质点在碰撞前都仅在一维空间中运动,如都在x轴上运动,或一个静止,另一个运动,在碰撞后,如果没有其它约束,两个质点就完全可以在二维或三维空间中运动,只要我们承认    m1 v/1y=-m2 v/2y;m1 v/1z=-m2 v/2z即可。实际上,如果碰撞前两质点都在x轴上运动,或一个运动,而另一个静止,则碰撞后两质点的轨道平面,必定通过了x轴。否则,设x轴与碰撞后的轨道平面有一个夹角,则在碰撞前,在该轨道平面的法线方向上,有动量的分量,而碰撞后,在该方向上却没有动量的分量,不符合动量守恒定律。尽管碰撞后的轨道平面在x轴上,但该轨道平面在空间中的方向仍没有被确定,它可以绕x轴旋转。显然,如果允许碰撞后的两个质点在三维或二维空间中运动,则上述的m1 v/1y和m1 v/1z或m2 v/2y和m2 v/2z的值怎样确定,就需要我们在能量守恒和动量守恒之外给出其它的额外假设。只要我们给出了这些假设,再加上x方向上的动量守恒和总体的能量守恒定律,则我们就可完全求出两个质点在碰撞后三个方向上的运动速度。当发生碰撞的不是两个质点,而是两个球状的气体分子时,我们在能量守恒和动量守恒之外应给出的其它假设,是不是就应该为上述的两个特定额外假设?或当气体分子为其它形状的气体分子时,是不是就应该为上述的关于其它形状的刚性体碰撞的两个特定额外假设?我们有将球状的气体分子在碰撞后的运动限制在一个规定的平面内,将动量的改变限制在一个规定的方向上的约束吗?如果没有其它约束,球状的分子在碰撞后的运动为什么就必须与受到约束的台球相同呢?

3 关于气体通过分子碰撞趋向平衡的猜想

我猜想,至少在研究气体趋向平衡过程中的分子弹性碰撞时,我们可能要修改我们前面所说的关于碰撞的两个特定额外假设。我们可以猜想,气体分子在碰撞过程中,其碰撞后的运动速度和运动方向会因周围其它分子的能量动量分布状态及分子数密度的分布状态而改变,从而使宏观的气体状态可以影响到单个分子之间的碰撞过程,并使由这种碰撞过程所组成的宏观气体运动过程变得不可逆,使气体通过分子碰撞来实现宏观热传递并趋向平衡态。

显然,在所有的热现象中,包括在气体趋向平衡态的过程中,能量和动量守恒定律仍是成立的。所有的热现象都服从热力学第一定律,即能量守恒定律。因此,为了用碰撞理论来解释气体趋向平衡的过程,我们能够修改的假设只可能是关于气体分子碰撞的两个额外假设。可以看出,经典力学体系并不与热现象、与热力学第二定律相矛盾,只不过经典力学体系在解释热现象时,可能是不完备的,我们可能还需要增加一些其它假设。

笔者在《熵改变与物质能量的扩散或集中》一文中,曾指出,物质能量的分布状态会导致物质能量的流动,导致物质能量的扩散或集中。物质能量分布状态对物质能量流动的影响,或对流动过程中所表现出的物质能量的扩散或集中的影响并不是以能量传递的方式来实现的,或者说,这种影响并不是能量的传递。物质能量的分布的"状态场",或那篇文章中所说的"能位场",是关于物质能量分布信息的"信息场",这种信息影响了物质能量的流动,但这种信息的传递和对物质能量流动的影响却不消耗能量,或者更准确的说是不扩散能量。能量的流动只是这种影响的结果。另外,在笔者的《气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响》一文中,曾指出气体的宏观状态可能会影响到单个气体分子之间的碰撞过程。显然,如果我们猜想气体分子在碰撞后,其运动速度和运动方向会因周围其它分子的能量动量分布状态及分子数密度的分布状态的不同而改变,或由周围其它分子的能量动量分布状态及分子数密度的分布状态所确定,而不是前面的两个特定额外假设,仍能使碰撞过程遵守能量守恒和动量守恒定律,而且,改变能量或动量的只是参与碰撞的分子,周围其它分子的能量和动量并没有参与到碰撞过程中的能量动量交换中来,尽管周围其它分子的能量和动量对碰撞后的分子轨道有影响。我们还可以猜想,周围分子对单个分子之间碰撞的影响可能是不可逆的,尽管碰撞过程中所遵守的、对于描述碰撞而言是不完备的能量守恒和动量守恒定律是可逆的。

在不存在周围其它分子的情况下,或者在周围其它分子的能量动量分布状态及分子数密度的分布状态可以忽略、它们不会影响到单个分子之间碰撞的情况下,关于两个球状分子的碰撞,我们可能只能假设碰撞后的分子轨道在碰撞前的轨道所确定的平面上,因为这个平面是唯一特殊的一个平面,如果不选取这个平面,就会有无穷多个等价的平面可供选择。同样,我们也只能假设只在碰撞时刻的两个分子的球心连线方向上,才有动量的改变,在与这一连线垂直的方向上,两个分子的动量不变。如果不选取这一方向,就会有无穷多个等价的方向可供选择。因此,在这种情况下,两个球状分子只能在这个特殊的平面上运动;分子动量的改变,也只能发生在碰撞时刻的两个分子球心连线这一特殊的方向上。可以认为,这种情况不会导致热力学中的宏观不可逆过程。另一个只能取这个特殊平面或特殊方向的情况是,碰撞过程被约束在这一特殊平面或特殊方向上,碰撞前后的分子或宏观物体只能在这一平面上或这一方向上运动。例如,台球桌上的台球之间的碰撞。如果约束是完备的,或者说,如果在能量守恒和动量守恒之外还有两个独立的约束,则这种情况也不会导致热力学中的宏观不可逆过程。台球之间的碰撞只受到一个约束,但台球周围的其它物质能量分布不会对台球之间的碰撞施加非能量动量传递式的影响,或者说,这种非能量动量传递式的影响可以忽略。另外需要说明的是,如果不存在碰撞过程,在纯粹的气体分子的自由运动过程中,由于没有受到作用力,按照动量守恒定律的要求,气体分子将始终沿原来的方向运动。因此,气体分子的自由运动过程也不会导致热力学中的宏观不可逆过程。导致宏观不可逆的原因只能是气体分子之间的碰撞。

我们可以猜想,在当气体处于平衡态时,在发生碰撞的两个气体分子周围,其它分子的能量动量分布和分子数密度分布是均匀的,此时,不存在一个特殊的平面或特殊的方向,因此,在能量守恒和动量守恒定律之外,关于碰撞的其它假设只能是上述的两个特定额外假设。如果气体分子是球状的,则碰撞后的气体分子只能继续在碰撞前的轨道平面上运动;分子动量的改变,也只能发生在碰撞时刻的两个分子的球心连线方向上,在该方向的垂直方向上,动量不变。但是,当气体处于非平衡态时,当发生碰撞的两个气体分子周围,其它分子的能量动量分布和分子数密度分布不均匀时,周围空间中可能存在一个特殊的平面,也可能存在一个特殊的方向,则上述的两个特定额外假设就可能要被修正,碰撞后的气体分子的轨道平面,以及发生动量改变的方向,可能会偏离由上述的两个特定额外假设所确定的平面和方向,向空间中的特殊平面及特殊方向靠近,甚至直接取这个特殊平面及特殊方向。碰撞的结果,应使周围其它分子的能量动量分布和分子数密度分布变得更为均匀,直到气体到达平衡态。

可见,可逆的碰撞过程只是一个特殊的情况,在一般情况下,在非平衡状态下,碰撞是不可逆的。可逆的经典力学可能是不完备的,当增加假设,使经典力学成为完备的后,在一般情况下,物体之间相互作用后的运动将不可逆,只在一些特殊情况下的物体运动才可逆。

在某个气体分子周围多大的距离范围内的其它分子会对这个气体分子与其它分子的碰撞产生影响呢?由于周围的气体分子对单个气体分子之间碰撞的影响不是一个能量的传递过程,这一影响不消耗或不扩散能量,因此,这种影响完全可以是超距的,超光速的。但认为任意远处的其它分子也会对单个分子之间的碰撞有影响,显然是不合理的。但是,能够对单个气体分子之间的碰撞造成影响的气体范围,至少应能显示出该范围内的气体的宏观热力学状态或性质,应能显示出该范围内的气体是处于平衡态还是非平衡态。

笔者在《气体的宏观状态对单个气体分子之间碰撞的影响》一文中,在说明按经典的弹性碰撞理论不能导致气体趋向平衡态时,曾提出了如下的论证。如果我们将两箱分别处于不同平衡态的同类气体混合,按照原来的理论,由于混合前和混合后的气体分子之间的碰撞无任何区别,混合后,分别属于两箱的两个气体分子之间的碰撞与同一箱中的两个气体分子之间的碰撞无任何区别,则两箱气体混合后,仍将保持原来的两个平衡态,而不会到达一个新的平衡态。按照我们现在的猜想,混合后,由于是非平衡态,不仅分别属于两箱的两个气体分子之间的碰撞与混合前不同,即使同一箱的两个气体分子之间的碰撞也与混合前不同,因此,混合后,气体将到达一个新的平衡态。

在非平衡态中,气体分子之间的碰撞,其碰撞后的分子运动速度和运动方向由周围其它分子的能量动量分布情况和分子数密度分布情况确定。从宏观的角度讲,从更广泛的角度讲,这一猜想对应于笔者在《熵改变与物质能量的扩散或集中》一文中所说的"物质能量的流动由物质能量的分布状态确定"。显然,如果我们用其它假设来替代上述的两个特定额外假设,则我们仍需要给出两个独立的假设。在不同情况下,这两个假设可能是不同的。在某些情况下,这两个假设中,可能一个会导致空间中某些方向或某些子系统中的物质能量的分布更加均匀,而另一个假设可能会导致空间中另一些方向或另一些子系统中的物质能量的分布更加不均匀。因此,在某些情况下,物质能量的宏观流动可能仅表现出物质能量的扩散,而在另一些情况下,也可能会出现在一个方向上或一个子系统内为物质能量的扩散,而在另一个方向上或另一个子系统内为物质能量的集中,或者说,物质能量的流动在一个方向上或一个子系统内为熵增过程,在另一方向上或另一个子系统内为熵减过程。当然,按照热力学第二定律,系统的总熵变应是增加的,或者各个方向上的总熵变应是熵增的。《熵改变与物质能量的扩散或集中》一文中已指出,纯粹的熵增过程对应于物质能量的扩散过程,纯粹的熵减过程对应于物质能量的集中过程。

4、本文猜想与玻耳兹曼H定理中的统计假设的比较

在玻耳兹曼的H定理的推导过程中,曾使用了这样一个统计假设:单位时间内发生某类分子之间碰撞的次数与整个气体系统中该类分子的数量成正比,碰撞后,该类分子被转变为其它类的分子。当然,从统计的角度看,这一假设是完全合理的,但这却是在力学体系之外引入的一个统计方面的假设。显然,在H定理的推导过程中,允许任何碰撞的逆碰撞存在,只是由于发生正的碰撞与发生逆的碰撞的分子数量不同,导致单位时间内发生正碰撞的频次与发生逆碰撞的频次不同。如果正碰撞多于逆碰撞,则会有各个分子类别中的分子数量的改变,最后,各类别中的分子数量相等,气体到达一个平衡态。

但本文提出的假设,是对力学体系提出的一个补充,它不是一个统计假设。"碰撞后的分子运动速度和运动方向由周围其它分子的能量动量分布情况和分子数密度分布情况确定",是针对具体的单个碰撞过程而言的,而不是针对大量碰撞的统计而言的。而且,按照本文的观点,如果气体处于非平衡态,则正碰撞的逆过程或逆碰撞可能是不存在的,由周围其它分子所确定的碰撞过程是不可逆的。在本文提出的假设中,没有任何统计的成份。

也许,H定理中的统计假设是真实存在的,而本文提出的假设并不真实存在,但不管怎样,都说明在用经典的碰撞理论解释气体分子通过碰撞而趋向一个平衡态时,经典力学是不完备的,我们还需要增加一些现有的力学理论之外的其它假设。如果由能量守恒和动量守恒所构成的碰撞理论是不完备的,那它究竟缺少了什么呢?

如果本文的假设成立,我们是不是可以做出这样的引申:至少对分子趋向平衡的碰撞而言,"单位时间内发生某类分子之间碰撞的次数与整个气体系统中该类分子的数量成正比",这个统计规律或统计假说可以用关于单个碰撞过程的力学规律给出解释?气体的宏观热力学状态在某种程度上决定了单个气体分子之间的碰撞过程,从而使气体分子的碰撞表现出统计规律来。概率规律或统计规律显然是对大量试验的归纳总结,既然是对试验的归纳总结,它们就应该属于物理学的研究范畴,而且,这个试验结论或大量试验的归纳总结也就应该能用物理学的更为基本的物理规律给出解释,或者,它们本身就是物理学中的一个无法进一步解释的基本物理规律。如果说概率论是数学的一个分支,最多只是因为概率论采用了数学上的公理化研究方法,但其基本公理,却来源于大量试验的归纳总结。如投币时,硬币正面向上的概率为50%,显然是对大量试验的归纳总结的结果。如果概率规律是物理规律,但却不是基本物理规律,而能够用其它物理规律给予解释,则其成立就是有原因的,也许,在某些原因下,我们会得到与现有的概率规律完全不同的另一类概率规律。

5、本文猜想实验验证的可行性

本文的猜想能否通过试验证实?我认为,当气体处于非平衡态时,在球状的气体分子之间的弹性碰撞之后,分子轨道将可能不在碰撞前的轨道平面上,而可能在其它平面上;分子动量分量的改变,可能不只发生在碰撞时刻的两个分子的球心连线方向上,在与该方向垂直的其它两个方向上,也可能有动量分量的改变,关于这一猜想,现代科技水平应该是能够证实或证伪的。只要我们能设法跟踪两个可能碰撞的球状分子,并记录下碰撞前后的分子轨道即可。当然,如果碰撞的分子不是球状分子,情况就更为复杂,即使按照经典的两个特定额外假设,两个分子碰撞后的轨道平面,也可能不在碰撞前的轨道平面上,两个分子动量改变的方向,也可能不是碰撞时刻的分子质心的连线方向。

这里要强调的是,如果要进行试验验证,则我们必须跟踪单个的气体分子碰撞过程。如果对大量的分子碰撞过程进行统计,则有可能得到的结果既符合本文的猜想,也符合玻尔兹曼H定理中的统计假设。

6、关于本文猜想的评论

显然,本文的猜想是非常粗糙的,它仅仅只是一个原则性的猜想。周围其它分子的能量动量分布情况和分子数密度分布情况究竟怎样确定了碰撞后的分子运动速度和运动方向?分子运动速度和运动方向如何确定了气体的宏观状态?不可逆的单个碰撞过程如何实现宏观的热传递?根据物质能量的分布状态如何来改变物质能量的宏观流动,并实现物质能量的扩散,甚至实现在总体为物质能量扩散的前提下,系统中的个别特殊子系统或个别方向上却出现了物质能量的集中?在《熵改变与物质能量的扩散或集中》一文中,笔者将热功转换过程也解释为物质能量的扩散或集中。我们这里的猜想如何才能扩充和丰富,并解释像热功转换这样的其它类型的热现象呢?显然,这些问题都需要我们对本文的猜想进行更为深入的分析。但是,所有这些问题的解决,只允许我们在现有经典力学、甚至在物体运动可逆的相对论和量子力学之外,在关于碰撞的能量守恒定律和动量守恒定律之外,再增加两个独立的假设。当然,针对于不同的具体情况,这两个假设的具体形式可能是不同的。

也许,本文中的一个观点可能会引起争议,这就是,周围其它分子对碰撞过程施加了不可逆的影响,确定了碰撞后分子的运动速度和运动方向,但这种影响过程却并不消耗、或者更确切的说,并不扩散周围气体分子的能量。周围气体分子的能量动量并未参与到碰撞过程中来,能量守恒和动量守恒只是针对参与碰撞的分子而言的。能量的扩散,或在总体为扩散的前提下,某些方向或某些子系统出现能量的集中,只是周围其它分子对碰撞过程影响的结果。我认为,本文的这种观点可能是合理的。在热力学中,物质能量的流动,物质能量的扩散或集中,显然是由于物质能量在空间中分布的不均匀造成的,如果物质能量分布处处均匀,系统为平衡态,则不会产生宏观的物质能量的扩散或集中。因此,我们完全可以说,物质能量的空间分布状态影响了、甚至确定了物质能量的流动。显然,这种影响过程并不消耗或并不扩散物质能量。物质能量的流动,物质能量扩散或集中,只是这种影响的结果。能量的扩散,只发生在由周围物质能量的不均匀分布所发动的物质能量的流动过程中。但这一物质能量流动过程的发动却不消耗或不扩散能量。

周围的其它分子在不消耗或不扩散能量的情况下,通过怎样的机制影响或确定了单个的气体分子之间的碰撞过程,影响或确定了碰撞后的气体分子的运动速度和运动方向,这可能是我们面临的一个新问题。

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本文责编:张容川
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