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自然的脾性
来源:解放日报 | 詹克明  2020年08月13日06:55

自然的脾性有二。

一个是散,在孤立隔绝、独自发展之时总会自动走向散漫无序;另一个是懒,它总是按照最省力、最简单、最经济,付出最少的方式行事。支撑这些脾性的是熵增加原理与最小作用量原理。

“熵增加原理”是一条宇宙的基本规律。

“熵”是“无序”的一种量度,与它相反的则是“有序”(又称“负熵”)。事物处在“孤立体系”状态中会自发地走向无序(即熵增加);而在耗散能量的条件下,体系也能够自发地走向“有序”。“有序”是进化的基础,不管是宇宙、生物圈还是人类社会,都是在“有序—无序”彼此相互推挽中得到发展的。

就像热力学第二定律所规定的那样,“热能由高温自动流向低温”,“气体自高密度自动向低密度扩散”,自宇宙大爆炸以来的138亿年里,整个宇宙一直处于“熵增大”过程中。“大爆炸”使得宇宙边膨胀,边降温,不仅体积胀大,宇宙温度也由原来的极度炽热降低到目前仅相当于2.7K的黑体辐射温度(绝对零度K相当于摄氏温标-273.15℃)。

“无序”与“有序”是一对相反相成的对立因素。如果宇宙一直均匀地膨胀下去,“熵”一直持续增大,最后将会演进为一个结构走向均匀的宇宙(如同热力学“热死论”)。但在四大基本相互作用力的作用下,宇宙又可能在各种层次上实现“熵减少”,形成局部有序。例如,在万有引力相互作用下凝聚成星系、太阳系;在强相互作用下质子、中子等重粒子结合成“核素”,并开始了“核素进化”,形成上千种核素;在库伦相互作用下,核素又与电子结合成原子;原子再进一步生成分子,并开始了由简单小分子到复杂大分子的“分子进化”,直到“生命大分子”;分子进化的终点形成了最早的生命体(原核细胞),从而点燃了生物进化;生物进化由单细胞到多细胞,再到宏观生命体,直到产生了人类,并从此开启了人类的“智能进化”。生物进化与智能进化创造了迄今为止最为高级的有序。文章《宇宙最复杂的结构是什么》认为:“整个银河的复杂程度也比不上一个单细胞生物。”

我们虽然生活在生物界与人工世界之中,但我们并不能像通晓四大基本相互作用那样,清晰透彻地知晓驱动生物圈走向有序化的“生命力”是什么,以及驱动人类智能走向有序化的“智力”又是什么!即使我们对此种机制尚不得其详,但还是有可能对其特点探求一二。

纵观生物圈进化,一个显著的特点就是“分支”。

首先是植物与动物的分道扬镳。植物与动物原本有着共同的祖先,那就是单细胞的原始绿色鞭毛生物,其体内有叶绿体,能够进行光合作用。此后原始单细胞生物向两种不同的摄食方向发展,一种是自养型,吸收太阳能,在体内转化成葡萄糖(后进化成植物);另一种是异养型,体内叶绿体色素消失,依靠外来营养物生存(后进化成动物)。

动植物两大分支各自再层层分支:植物分支有藻类植物、苔藓植物等;动物分支则有单细胞动物、腔肠动物、扁形动物、哺乳类动物等。分支使得生物圈“界门纲目科属”数量庞大,种类齐全,有序程度极度提高。

智能进化的特点是“级阶跃进”。

智能进化在渐变中含有一系列突变。在其逻辑推演过程中有时会遇到一些难以逾越的“关节点”——原有理论的逻辑发展已不再适用,期待着新的突破。也正是在这些逻辑“断裂点”上,突然灵光一闪,悟出一个新理论,不仅问题迎刃而解,而且还开拓出一个崭新的逻辑发展空间,使有序程度跃上一个新的高度(例如牛顿力学在黑体辐射与天体物理中已不适用之时,产生了量子力学与相对论力学)。这种发生在“关节点”上的跳跃不仅发生在理论上,在技术发明上也同样如此。每一项伟大发明都会将人类文明程度向前大大推进一步,如火的使用,印刷术的发明,蒸汽机的发明,电灯的发明,电报电话,卫星通信,计算机,互联网……人类在智能进化上就是以这种“跳跃”方式前进的。有道是,微观原子有“能级跃迁”,智能进化竟然也有宏观的“智能跃迁”。

自发有序是需要提供能量来支撑的,对地球而言,最主要的能量来自太阳这自不必说。另外还有一个次要能源,它来自地下岩浆。岩浆的一部分能量则来自地层中放射性物质缓慢“核衰变”所释放的能量。记得四五十年前看过欧阳自远的一篇文章,他通过计算阐明了“放射性衰变能”的积累可能是形成岩浆的热源之一。

最小作用量原理又是一条宇宙的基本原理。“大自然按最简单、最有效的方式演进”。根据莫佩蒂原理“自然界的行为总是遵循最大可能的经济原则”。据此,“倘若自然界发生某种变化,其作用量对于这种变化必定取尽可能小的值”。因此,“自然界的每件事情都是以最为经济方式实现的”。这已成为“宇宙万物的总体模式”。

不仅液滴是球形,所有的星体都是球形(同样质量的物体,缩成球形时表面积最小);用一个正四面体框架沾肥皂水必定形成四个全等的膜面,所产生的四根棱相交于一点,任何两个棱的交角都是109°28′16″,同时,两个膜面沿同一边缘交成120°角,唯有这种结构才能使肥皂膜表面积收缩到最小。蜂巢的巢室呈现出完全相等的六边形,这使得在同样体积条件下使用的建巢材料(蜂蜡)最少。

最小作用量原理被看作主宰一切自然现象的普遍原理。这种简单性原理也是一条基本的自然哲学原理,主导整个宇宙成为无比和谐、无比稳恒、无比统一的整体。

散与懒,并非全是贬义。若是审时度势应对得当,不仅受益匪浅,还暗合了自然的脾性。