《大自然寻真》第25章

非生命宏观大自然辩证分析探讨-6

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25.11  对远离平衡态的情况做更详细的分析

    什么是远离平衡态？物质怎样才算远离平衡态？这直接关系到系统如何形成和系统效率高低等问题，很重要，所以希望能共同努力对它尽量认识深透。在大自然里，热是无尽头的，冷却有极限，对于这个极限，开氏温标称其为绝对零度。1787年，法国物理学家查理发现，理想气体每冷却1℃，其体积就缩小它处于0℃时体积的1/273，这就是著名的查理定律。可是，当温度降低到一定程度时，气体会变成液体，体积就无法再缩小了，然后又再变成固体。这样一来，当温度降低到-273℃时，体积显然不可能等于0，但原来的气体这时已经变成了固体，而且不仅温度不能再降低，物质的分子和原子也都完全不能运动了，这个温度便是真正的零度，也叫做绝对零度。
    温度是物质分子热运动的标志，物质降到绝对零度之后，分子和原子就丝毫不动，这应该是什么状态呢？天平的两边重量相等就不动，这就叫做达到平衡。所以物质不动的状态就是平衡态。因此，物质会运动的状态就是非平衡态，而物质作激烈运动，或者温度极高的状态就是远离平衡态了。一个远离平衡态的系统也就是一个能量很高的系统，反之亦然。
    当然，平衡态的概念也是相对的，在宏观上看似不动的物质，从微观上看，其分子和原子可能还在运动；在一个坐标系中看起来不运动的物质，在另一个坐标系中它却还在运动。例如一团很松散的星云，从其内部的坐标系看，各颗粒之间彼此可以毫无相对运动，但从其上一档级中心天体的坐标系看，它们都还在快速地围绕着中心天体转动。所以，尽管某块星云可能已经是绝对零度而完全没有内能，却还有围绕着上一档级中心天体旋转的动能；静止在高处的物体从表面看是不动，却随时都可能动，因为它对于低位置有着势能，所以高处的静止物体只是暂时的相对平衡，不动的山坡遇到条件适合就会塌方。把坐标原点定在宇宙蛋黄的中心来看问题，全宇宙的物质都是非平衡态的。再从演化史的角度看，平衡态的星云本身没有演化能力，但它的上一档级中心天体正处在演化过程中，该星云也正走在灭亡的道路上，处于被其上一档级中心天体逐渐收回的运动状态，是这上一档级中心天体整个演化过程中的现象。
    全宇宙是个完整的大系统，显然宇宙蛋黄中心的温度最高，最远离平衡态；对于宇宙中的每个星系或单个星体而言，处于各级系统中心附近的温度最高，最远离平衡态。
    一般地说，一个系统的中心物质（或能源）是否远离平衡态，就直接影响到系统有序程度的高低。但是，对于孤立系统而言，因为能量不与环境交换，就只能在内部彼此充分交换，结果是整个系统内各处的能量都绝对平均。所以对于孤立系统，不管能源的绝对位势高低如何，系统内的所有物质都是平衡态。因此，系统有序程度的高低其实是由系统能位差（系统内最高能位与最低能位之差值）的大小所决定的。显然，远离平衡态的开放系统或封闭系统，其系统能位差就大，孤立系统的系统能位差等于零。
    系统环境从外因上影响了系统的档次高低和有序程度。系统环境包括“周围环境”和“目标环境”。与系统相接触的环境都称为系统的周围环境。与系统直接发生物质和能量交换的那部分周围环境，特称为系统的目标环境。大自然中的物质既然能够聚在一起成为系统，其能位就必定比周围环境高得多，所以与目标环境相接触的物质就必定是系统内能位最低的物质。所以，不同类型能源的目标环境，其具体特征就不同：热能型系统的目标环境是指与系统内最低温度的物质密切相联系的地方；动能型系统的目标环境是指与系统内动能最差的物质密切相联系的地方；势能型系统的目标环境是指与系统内势能最低位的物质密切相联系的地方。良好的系统应该是，目标环境与一般周围环境界限分明、作用不同，系统对于一般周围环境绝对封闭，只对目标环境开放。由此可见，系统能位差的大小实际上也就是系统内最高能位与目标环境能位之差值。
    显然，一个可运行的有序系统（包括开放系统、封闭系统），都有运行效率问题。在宇宙物质中，由天然自由主动形成的系统（非生命界中是宇宙蛋黄最有代表性，其次是较高档级的核球天体），一般就有最高效率。从25.8的系统具体定义出发，再结合天然系统实例，尤其结合天体的物质布局，我们可以得到启示而悟出天然系统的形成和运行规律，或者说物质要成为高效率系统的原则要求，主要是：
    ①组成系统的物质必须是远离平衡态的物质；
    ②最远离平衡态的物质，也即系统的中心部件，一般都位于系统中心部位，必须尽量封闭和受保护。其实可以把最远离平衡态的物质就看成是系统的骨干、核心或者领导者，它对系统的自组织和演化过程起到指挥和带领作用，也为系统恒定地转换和提供能量，促成了系统维持稳定有序的运行状态；
    ③只能在远离系统中心而与目标环境直接接触的另一端开放成为能量的释放口子，应该与一般周围环境尽量封闭，才能保证系统有最高效率；
    ④系统运行的最终目标都是令系统内部物质的状态与目标环境状态趋于平衡，两种状态之间的差异，就是启动系统协同规律发挥作用的原动力，而协同规律的运作结果是不断将能量从高位传到低位并与目标环境发生交换；
    ⑤系统的固有功能是做功，所以，不管高位能量是何种形式，系统都必须首先将能量转换为物质的动能，在把动能从高位带到低位对环境做功的过程中释放能量，不能将物质和能量通过其它渠道不做功就直接向目标环境或一般周围环境排放。实际上，系统用动能做功的过程，就是把系统动能向目标环境消耗释放掉的过程。必须注意将系统功能的释放能量过程与一般的能量传递转换现象分清界限，一块热钢板的热不经过转换就直接向周围辐射掉，或者高处的重物突然无端掉到低处等，都与系统功能无关，那仅仅是一些一般性的物理现象。
    我们在25.8说过：“如果月球的内核还有热岩浆的话，它就是一个封闭系统”。但是，由于月海上没有隔热层，又没有水，外传出来的热能并没有转换为动能并做功，而是直接向太空释放，热能丧失很快，系统迅速退化，球体很快就会变成静态物质集合，那样的系统就不符合高效率系统的要求。地球则不同，虽然也已经是个封闭系统，但它的热源藏在球心，热能要通过地下液体环流、海流和大气环流的转换、携带和运行做功之后才逐渐向太空释放掉。具体先看看海洋，它把热带洋底金属地壳上传而来的热能挡住不让其直接向太空释放掉，但不是硬性地挡住，而是通过海水从低纬度硬地壳那里先将热能接收过来使自己升温。海水的升温又不是直接将水煮开后让热气升天跑掉，而是立即将一部分热能转变为动能加强了海洋环流，然后通过海流赶快将全球海水温度重新进行摊匀，尽量把热能从低纬度带往极地将海冰融化掉，这实际上就是将部分热能重新归还地球。再看大气层，它也是不让地球热能马上向太空释放的重要防线。大气同样先将海洋阻挡不住的地球热能接收过来，方法是既使气温升高，又使水分蒸发变成水汽。升高了的气温立即将部分热能转换为动能加强了大气环流，这又把热能从低纬度带往高纬度，实际上也是将部分热能重新归还给地球。被蒸发的水汽由大气环流推向高空后带往陆地上空，也将潜热释放而使水汽凝结成云降雨洒落大地。显而易见，仅是大气中的水汽循环向陆地搬来了大量水分的这一项，就不仅有归还地球能量之功，又滋润了地球，荫生了万物，养育了无数生灵，其贡献是多么伟大，但须知这仅仅是整个地球系统做功总量所能显现出来的很小一部分。
    进一步分析可知，地球系统在陆地上设置了极厚的隔热层将底下会导热的硬地壳底层覆盖住，又在金属性质的深海地壳层之上面覆盖了一层很厚的水层，水层之上再覆盖一层很厚的大气层。显然，地球这个封闭系统就像是一间很高效率的巨大工厂，在工厂的“排气口”处设置了两层利用余热的机器，一层是海洋，另一层是大气。这两层利用余热的机器又都是高效率的小型开放系统，虽然都对着太空开放，却又严格遵守了5条高效率系统原则要求，都用“打太极拳”的方式尽量将能量反馈回地球，使地球能量的消耗速率很微弱，这才使得地球与其它行星相比显得年轻（参见10.5）。海洋和大气这两个开放系统所演示出来的“太极拳”之奇妙，真是天工杰作。正因有了海洋环流和大气环流，才使地球比起一般星球显得特别生动活泼，生气勃勃，精彩绝伦。也正因有了大气中的水汽循环，才又使地球绿色润眼，红黄生香，生灵亿万，文明无限。当然，笔者对地球这个复杂的系统，也只能认识其局部而已，还有更多和更深层次的奥秘要请各路专家帮忙。例如，虽然知道地球体内的液体环流肯定也是地球大工厂里发挥高效率作用的重要机器，它也会用“打太极拳”的方式，既将地核里不可压制的恒定自生热能逐渐化解，又不使能量损耗太快，但是，对其中的机制该如何做更多更好分析？它伴随产生的地磁场又起到怎样的协同作用？这都须敬请专家们做更多的分析研究。然而，笔者总觉得地球应该可以算是一个极高效率的系统了，恐怕目前的地球人类还难以研制出如此高效率的系统。
    上列的五项原则，不仅符合大自然中一切高效率的天然系统，就是地球上的人工系统也普遍是这样。例如飞机、轮船、一切热型机器，都自觉或不自觉地遵守了这些原则。这是因为有了效率作为目标就无形地促使着人们去向天然系统学习，去遵守这些原则。不仅非生命界是这样，连生命界的动物、人体，甚至人类社会也都这样。由此可见，在物质布局和运行规律方面，非生命界与生命界是何等异曲同工啊！
    宇宙大自然中的天然物质系统，包括宇宙蛋黄、银核、太阳、地球、海洋、大气等，不论大小，只要是热能型系统，其物质分布一般是内紧密外松散，其能量分布都是内高外低，其与外界的关系都是内封闭外开放。这是万有引力定律（来自分子魅力）在全宇宙中都起着约束作用所造成的，也只有这样才能在具体系统的运化过程中遵循热力学第二定律进行运作，保证热量（能量）永远从高流到低。也由此可见，大自然的造化和运行支配规律是相互相成，互相配合和互相补充的。在此，热力学第二定律与经典力学中的万有引力定律就各司其职，配合默契。如何看待和使用各种物理定律和力学定律，是否还关系到如何选择坐标和确定作用范围与相互配合等问题？最明显的实例就是，在微观领域中研究问题的出发点与所运用的物理、力学规律和操作方法，就与宏观领域完全不同，如果使用相同的观点和方法便不可能得出正确的研究结果。正因如此，或许应该对各种定律的本质和功能做更全面和深入地分析研究，才能更好地理解和应用它们。
    自然界天然系统的物质构造布局，体现出大自然中有一种自我约束和自动调节而达到最优化的规律，笔者已将其大致归纳为上列五条。成功的，经得起实践和时间考验的人工系统（如各种交通工具或机器）一般也都基本上符合了这些规律。由此进一步启发我们，既然已经有了“五条”，在创建新的人工大小系统时，就应该更有意识地特别注意遵守它们，才能保证你所创建的人工新系统取得较大的成功率和较高的效率。
    人和动物是生命界的天然系统，他们的系统中心由多个部件组成，大系统中又包含了心脑血管系统、消化系统、泌尿系统、呼吸系统、血液系统、神经系统等小系统，分工明确，比非生命界系统又复杂得多，比人工系统效率高得多，能对原料进行精加工，除了保持体温而消耗热能之外，将能量转换为动能之后充分做功，直接外排的物质和能量很少，只是少量食物残渣和系统新陈代谢废料。一个人每天吃的东西就那么一小点，却不仅保持了体温而维持了生命，还能出很多力，做很多事。一台发动机就不可能将汽油完全转换为动能用于做功，而是只能不得不将部分余热和不完全燃烧的燃料作为废气直接外排而浪费掉。这就是在系统效率方面，人工不如天然，由天然主动形成的系统，一般都更科学地体现了高效率系统的原则要求（对“主动”含义的理解请注意25.12的具体例子分析）。由此又进一步启示我们，人们为了提升自己的创新能力，虽然先要认真学习已有的先进人工系统，才能在山顶上建高塔，但又只有再向天然系统学习，才能使新建高塔有所创新。