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第七章:能量守恒的背后
 著名的英国天体物理学家爱丁顿在晚年的时候,他经常被一个奇怪的念头所困扰,他曾这样形容:在海边的一个小渔村里,一个爱好科学的渔民提出了这样一个海洋法则,所有的鱼不超过一英寸长。但他没有认识到,村里渔民所用的渔网全是一英寸的。与此类似,物理学都是由科学的网——实验所归纳出来的,那么这个网是否只网到了物理世界的表面现象,而让真实的自然溜走了呢?

  一个梦想不足为奇,关键是现代物理学是否真实地描述了自然。今天的所有科学的基础是能量守恒和转化定律,它明确地告诉我们,自然界各种不同的运动形式总是不断地相互转化,在转化的过程中,运动的量是守恒的。恩格斯曾对这个定律作过精僻的分析,并给予了高度评价。他说:“任何运动形式都证明自己能够而且不得不转变为其它任何形式。到了这种形式,规律便获得了自己最后的表达。由于有了新的发现,我们可以给它提供新的证据,提供新的更丰富的内容。但是,对于如此表述的规律本身,我们是不能再增加什么了。在普遍性方面——其中形式和内容都同样普遍——这个规律是不可能再扩大了,它是绝对的自然规律。”恩格斯还把这一定律和细胞学说、进化论一起称为建立辩证唯物主义自然观“具有决定意义”的三大发现。

  能量守恒定律建立于1842—1847年间,它开始于对物理现象之间普遍联系的探索,尤其是能量转换的研究。在当时,人们已经认识到热与机械运动之间的相互转化,通过对这些转化运动的研究,笛卡尔得到了运动不灭原理,惠更斯、莱布尼兹、伯努利等人先后发现了机械能守恒原理。同时,由于研究永动机的失败,也使人们逐步认识到自然力不可能无中生有,也不可能从有到无。到了19世纪,随着生产的发展,科学实验水平的提高,人们对于各种运动形式之间的相互联系和转化有了更多、更清楚的认识。这些重要实验有本·汤普森的摩擦生热实验、有戴维发现的电流的化学效应、有奥斯特发现的电流磁效应、有安培发现的电流的机械效应、有法拉弟发现的电磁感应定律等等。这样,到了1847年,亥姆霍兹才在他的《论力的守恒》中,论证了自然界中的“各种力”的守恒定律在起作用,给出了各种能量的数学公式,并研究了他们的相互转化,之后能量守恒和转化定律便应运而生。

  能量守恒和转化定律确立以后,围绕它是否具有普遍性这一问题曾经经历了几次大争论。在十九世纪末,人们已经发现了天然放射性元素铀、镭等能够“自发”地不断向外辅射能量,但却找不到这种能量的来源,于是不少人认为,能量可以无中生有,不再守恒了。如当时法国的彭加勒就惊呼“大革命家——镭”使能量守恒定律濒于崩溃,“物理学的危机”已经到了。列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中对彭加勒等人的唯心主义观点给予了尖锐的批判,他明确指出:“自然科学把能量的转化看作是不依赖于人的意识和人类经验的客观过程。”到20世纪初叶,随着原子物理学的发展,相对论的建立,人们经过反复的研究,认识到天然放射性元素所辅射的各种射线都是一种物质的发射,是原子核内的粒子和能量的释放过程,在发射前后,总能量完全遵循能量守恒和转化定律。事实上,由于天然放射性元素的发现,使人们认识了一种新的运动形式和一种新的能源——原子能,促使科学技术发生了一场革命,而原子能和电、热等各种能量的转化恰恰为能量和转化定律提供了新的证据。

  20世纪30年代,当人们对于微观世界的认识深入到原子核内部的层次时,发现了原子核在发生β衰变前后的能量差并不等于β粒子所具有的能量,存在着所谓的“能量亏损”问题,这时能量守恒和转化定律对于原子核内的运动是否成立的问题又一次被提了出来。当时玻尔就认为能量守恒定律和转化定律将从理论上被推翻;与之对应,泡利则相信能量守恒和转化定律的普遍意义,在这种思想的指导下,泡利提出了“中微子”假说,他指出,在β衰变中,有一部分能量可能被一种静止质量趋于零的中微子所带走了。在这一假说的基础上,费密建立了完整的β衰变理论,证明在β衰变过程中,能量守恒和转化定律完全成立。在后来的实验中,果然发现了中微子。这一事实说明,能量守恒和转化定律是自然界一种最普遍的规律。

  能量守恒定律反映了运动的不生不灭,还反映了不同能量形式相互转化能力的大小。不用说,从科学意义上,它使人们获得了一种改变自然的方法,从而推动了现代文明的诞生。今天的物理学家在研究任何问题的时候,总是想方设法找出正在所研究的现象中存在的那些量的守恒,一旦发现了某种守恒现象,他们就首先用以整理过去的经验并总结出定律。而后在新的事例或现象中对它进行检验,并且借助于它作出有把握的预见。如果在新的现象中发现某一守恒的不对,人们常更全面地对现象进行观察和研究,以便找出那些被忽略的因素,从而恢复守恒定律的应用。在有些看来守恒定律失效的情况下,人们还千方百计地寻找补救的办法,这就扩大了守恒定律范围,引进了新的形式,从而使守恒定律更加普遍化。

  能量守恒和转化定律的确立意义是巨大的,这不仅仅是因为它能够帮助我们预见能量的转化过程,并在哲学上确立了物质运动不能创造、不能消灭的唯物主义的基本原理,更重要的是它第一次明确地为我们树立了科学的一元论观念。按照这种观念,自然界的一切变化都可以归结到一个无所不包的自然规律之下,我们只要发现了这个规律,就可以理解种种自然之谜。这样一来,物理学的发展目标明确了,科学家们也正是在对这个终极目标的追求之中获得了无穷的动力,从而推动了科学的飞速发展。

  在整个物理学的历史上,能量守恒和转化定律是其它所有物理学定律成立的坚实基础,但这是否说明它就是终极的自然规律呢?随着科学的发展,科学家们已经认识到,它不可能是自然规律的终极形式,因为我们不可能用它解决任何关于开放系统中的问题,它仅仅局限于孤立系统或者无限开放的宇宙之中,只有在这样的系统内,能量才是守恒的。到了开放系统那里,由于系统和环境之间不断存在着物质和能量交换,因此我们不可能用一个有限的范围孤立地去研究系统能量的守恒,系统和整体宇宙的发展是一个普遍联系的整体。最显明的例证就是:宇宙整体和组成它的每一个子系统都通过某种机制把自身保持在持续不断的运动之中,显然这不可能是它们生存空间没有阻力的结果,而是它们不断从自然界获得了持续运动的能量、克服了阻力造成的,尽管宇宙的总能量是守恒的。那么,这些系统是通过怎样的方式获得了运动的能量呢?永动机是否真的存在呢?

  我们知道,导致能量守恒定律最后确立的两个重要线索就是:永动机的不可能实现的“确认”和各种物理现象之间普遍联系的发现。永动机是人们企图不用或少用原料,提高机器的效率而设想出来的一种理想机器。
   历史上曾有人对这样的机器是否存在表示怀疑,但不少科学家还是从自然界的永恒运动中感觉到永动机(一种利用无形无象的自然力量的机器)的存在,因此,在18世纪以前,人们企图借助自然力之间已知和未知的关系来创造一种永恒的运动的热情相当高。不过,实践却是这样,永动机的方案一个个被否定,人们也从中得出了一个道理:永动机之所以不可能实现,是因为它违背了能量守恒定律。事实上,人们在这里误解了永动机的概念,永动机不是什么投机取巧的东西,而是利用自然界的力量来获得能量的一种设想,这并不违背能量守恒定律,因为自然界是在永恒的运动中存在的,利用这种永恒运动获得能量是可以预见得到的。例如,现在我们就可以用太阳能电池不断地把太阳能转化为电能。然而在物理学上,物理学家们一直把自然看作是一种死寂不变的东西,由于它没有内在能量,自然从这里获得能量是不可思议的,只有一少部分物理学家基于对自然永恒运动的坚信,才设想出了永动机,因此,永动机是否存在的问题实质上是物理学家对自然本质认识的争论。

  在现代物理学中,不少科学家一直自傲于能量守恒定律的发现,甚至还有人把它当作终极的自然规律,从而毫不怀疑地把它应用于一切自然界现象的解释之中。的确,在孤立系统中,能量守恒定律是绝对的自然规律,但到了开放系统那里,我们就必须注意它的使用条件了。以两个弹子球的碰撞为例,如果分别测量两个球在碰撞前和碰撞后的速度,计算与这些速度相应的动能,实验者就会发现,尽管每一个球的能量都由于碰撞而变化了,但总能量前后是守恒的。随着我们的实验者对弹子球的测量精度的提高,人们就发现碰撞前后的能量有微小的差别,有很小一部分动能不见了!是不是这部分动能从自然界消失了呢?不,不是这样,这部分能量只不过以其它形式溜到更大的范围之内。现在,人们用更精密的仪器测出了被碰撞产生的声音带走的能量。此外,还检查出了弹子球和平台都稍稍变热了。扩大孤立系统的范围,考虑这个孤立系统内所有形式的能量,总能量仍然是守恒的。

  事实上,从能量守恒定律建立的一开始,物理学家们就不得不不断地扩大系统的范围,来保证能量在这个系统中守恒。因为能量的转换形式是多种多样的,例如在弹子球的碰撞中,不仅有动能形式,还有声能、电磁能、热能等。在这里,显然我们不能划定一个有限的范围来表示能量的转化过程。特别是现在,科学家们已经认识到,宇宙是一个普遍联系的整体,组成宇宙的每一个子系统都和周围的子系统以及整体的宇宙有着密不可分的联系,能量守恒已经扩大到了整体宇宙的范围之内;在局部,能量守恒仅仅是指某一类能量近似的守恒。

  现代科学所研究的能量多是精确的系统能量,即一个物理系统如何随时间变化,这个时间是绝对的,在这样的系统中我们总能找出一个一直保持不变的物理量,最早的物理学家是从尽可能的方程式中试探,直到发现某个不随时间变化的组合量为止。这个随时间变化而不变的量就是能量。遵照牛顿定律,一个粒子的速度的变化率由作用于其上的力除以它的质量给出,如果在这个组合量上再加上一个与粒子间距离有关的量后,得到的总和就不会改变,由此人们发现了能量的最初表达式,即质量乘以速度的平方的一半就是该物体的能量。

  任何一个在高中受过物理教育的人都知道,动量守恒也是一个基本的规律,它是人们在长期实践中总结出来的,在古典力学中,这一定律可以由牛顿定律直接导出,冲量等于作用力乘以作用时间t,两个运动物体的碰撞,根据牛顿第三定律,作用力与反作用力相等,作用时间也相等,因此两个物体碰撞前后动量是守恒的,在现代物理学中,能量守恒和动量守恒是最基本的两个规律,其它的守恒多由此推导而出。

  从艾米·诺特尔的著名原理开始,人们已经知道了每一个守恒都有一个连续的对称性与此对应,没有这种对称性就没有这种守恒,对称和守恒的联系是永恒的。时间对称对应着能量守恒。对称的时间即绝对不变的时间尺度,它表明了时间总是在匀速不变地流逝着。不过直到现在,人们对时间和能量的认识还是相当模糊的,当然这主要的原因就是这些认识尚不能落实到物质的相互作用之上,而不描述物质相互作用的概念都是毫无意义的。

  在物理学历史上,牛顿最早定义了这个时间,即绝对的、均匀的、不变的时间,后来人们都把它看作是对静止以太观的描述。当迈克尔逊—莫雷试验的零结果出现以后,静止的以太观崩溃了,取而代之的是爱因斯坦局域对称的时空观,这里爱因斯坦基于不可观察即不存在的理由抛弃了以太观,转而把时间凌驾于物质之上,这样时间就成了一种没有意义的概念。尽管如此,当相对的时间观念出现以后,与时间对应的能量守恒定律也必须注意它的使用条件了。

  十九世纪科学一个巨大的进步,是进化的观念在科学各领域上的广泛应用,这里,达尔文的进化论和热力学第二定律确定无疑地证实了自然是一个进化的过程,显然,如果你相信自然进化的物质性,那么自然界的本质必然是不对称的,因为没有不对称的物质运动,自然怎么会进化呢?与不对称的物质世界对应,能量必然是对物质的一种不对称运动或运动趋势的描述,没有物质的这种不对称运动或运动趋势,能量也不可能称为能量。在我们可以看到的世界里,能量的不对称运动是显而易见的,如太阳能持续不断地在地球上转化为其它形式的能量,这个能量过程是单调的,不可逆的,生物正是吸收了这些能量,才获得了持续不断的运动能力。

  万物生长靠太阳,从太阳到地球,能量源源不断地被输送过来,那么太阳的能量又是从何而来呢?在自然科学史上,最早康德提出了化学能,之后开尔文又提出了引力能量,但这些方式都不可能提供如此巨大的能量。1938年,美国物理学家贝特提出了太阳能的能量来自于它内部的氢核剧变释放出的结合能的方式。从爱因斯坦发现质量与能量之间的数学关系以后,我们就已经知道,原子内部蕴藏着巨大的能量,在一定条件下,这种能量可以爆发出来,因此,当贝特提出了太阳能量是由质量能转化而来的思路时,没有几个人能够提出反对意见,况且,太阳几千年来在人们心目中神圣的地位足以使人们相信,太阳确实是一个无私奉献自身能量的圣物。如今,绝大多数天文学家已经相信,热核反应是恒星演化的主要能源。但这样一来,物理学家就不得不面对太阳的灭亡问题。因为按照这种由质量转化为能量的方式,太阳肯定不会热热闹闹地一直燃烧下去,它的燃料储备年年在减少,故而最后它会变凉、变暗,地球那时也将陷入一片黑暗之中。

  近代科学一直习惯于用还原分析的方法认识事物,对太阳系的形成和演化规律的探讨同样摆脱不了这种习惯。不过这里有一个很明显的问题:地球是围绕太阳运转的,它获得了太阳的能量,而太阳系却是围绕银河系中心运转的,银河系中心又是围绕整体宇宙的漩涡中心运转的,这是不是可以对比过来,认为太阳系的能量来源于银河系,银河系的运动能量来源于整体宇宙呢?从能量守恒和转化定律建立以后,人们已经认识到,物质世界的规律是统一的,它不可能单独适用于太阳系,它对一切系统都是普遍有效的。显然,在自然界中,我们从未发现过一个系统的中心会不依赖外界的运动而无私地奉献自己的能量,中心的能量都是在整体协同一致对外在世界变化的反抗中获得的。太阳是太阳系的中心,自然也不会单调地释放自身的质量能,它只可能是在对不对称变化的宇宙空间反抗中获得能量的。

  自然是变化的,从对自然变化的反抗中获得能量也是可以令人信服的,特别是在近几年对太阳观察的最新结果表明,太阳并没有因为燃烧而萎缩,相反,它却是在不断的膨胀之中,这本身就证伪了“太阳能量核剧变”的猜测。太阳的能量是在整体对无限开放的宇宙变化的反抗中获得的,与此类似,自然界中的每一个开放系统持续不断的运动也都是在对大自然不对称的反抗中获得的。人类是组成宇宙的一个子系统,它也完全可以从对自然变化的反抗之中获得能量。如太阳的光能,水的势能和大海的潮汐能、风能等。

  现代科学是从对称的佯谬之上来认识自然的,不管是牛顿的绝对时空观,还是爱因斯坦的局域对称的时空观,对称都是它们的指导原则,近代物理学的所有定律都是建立在对称的基础之上。我们可以理解,物理学家们出于对自然统一性的坚信去理解对称的含义,对称意味着平等、质朴、和谐。在哲学上对称也象征着物质的统一性,但是,我们应该清楚的是,自然在表现出它的统一性的同时,还同时具有多样性,那么统一的自然又是出于什么原因具有多样性呢?在二十世纪六十年代末,由基本相互作用和粒子呈现出的多样性已经表明,完
美的对称在大自然的设计中是没有地位的,不对称创造了自然。

  事实上,每一个坚持一元论的科学家都应该知道,尽管世界的万物是多种多样的,但从本质上来说却都是由同一种朴素的物质组成。自然力是简单的,不存在什么无中生有的引力,统一的自然力只可能统一在物质的朴素压迫之上。有压迫就有反抗,统一的自然力不是机械的,而是充满生命力、紧张。万事万物都是在反抗外在世界的不对称压迫之中存在的,不对称的物质环境造成了物质形式上的多样性。

  “物质不灭”和“运动不灭是很早以来的科学预见了。在十九世纪以前,由于拉瓦锡的不朽功绩,物质守恒已成为一个科学的观念被科学家们所信仰。按照这个定律,充斥于无限宇宙窨的物质总量是不变的,一个物体表面上的消失只不过是其形态的转换,但统一的物质决不会无中生有地产生或消失。与“运动不灭”对应的是能量守恒定律,它说明的是活动于无限宇宙空间并引起一切力学现象的力的总和是不变的,而且可以相互转化。因此,自然界存在着各种各样的能的形式,如机械能、电能、光能、化学能、核能等都可以相互转化,并符合能量守恒定律。当物理学上这两个定律建立以后,许多坚持一元论的科学家和哲学家都敏锐地意识到两者之间密不可分的联系。因为两者描述的都是同一个对象,物质离不开运动,运动也必然是物质的运动。所以不少科学家都把两者归结为一个无所不包的实体定律,即在宇宙内各种物质和能量的总和是永恒不变的,万事万物的存在都遵循着这个定律,从而确立了哲学上和科学上纯粹的一元论原则。

  在物理学历史上,第一次用纯粹的一元论观念把质量和能量联系起来的科学家是爱因斯坦,在他的相对论中,物质蕴藏着大量能量,而能量又代表物质,因此,实物和场的区别不定性的而是定量的,实体便是能量密度特别大的地方,场便是能量密度比较小的地方,并且在相对论的基础上有E=mc2,即质量等价于能量,但问题是,质量真的会消失变为能量吗?如果真的这样,岂不违背了物质不灭这个古老的哲学原理?假如物质没有减少,能量又从何而来呢?

  爱因斯坦的伟大贡献之一,就是认识到物质和场的统一性,两者在能量意义上是等同的。但其中的问题也是显而易见的,如海森堡就曾鲜明地指出了其中的谬误:“时常有人说,原子爆炸的巨大能量是由于质量转化为能量,并且只有根据相对论,人们才能预计这些能量。可是这是一种误解,原子可利用的巨大能量早在贝克勒耳、居里和卢瑟福的放射性衰变的实验中就已经知道了,任何像镭一样的衰变物体产生的热量差不多都比同等数量的质量在化学变化过程中释放的能量大一百万倍,铀的裂变过程中的能源正好和镭的α衰变中的能源相
同。就是说,主要是原子核分裂而成的两部分之间的静电斥力。因此,原子弹爆炸的能量是直接出于这个来源,而不是从质量转化为能量得到的。”

  在本世纪三十年代,保罗·狄拉克俗将相对论与二十世纪物理学另一项重大革命——量子理论调和起来,便通过数学推导,预言了反物质的存在。在1933年,卡尔·安德森在用金属板研究宇宙射线时,头一次明确地发现了狄拉克所预言的反电子。之后,在实验室里的受控试验中,物质相继被制造出来了,接着证实了狄拉克已预言过的一切特征。在其后的年月里,制造电子和反电子成了范围广泛的实验室中实验的家常便饭,再后,反质子和反中子也制造出来了,并可以储备在磁“瓶”里。能量造成了物质,能量的概念更不可把握了,特别
是在实验室造物质时,物质总是与等量的反物质一起出现,当物质和反物质相遇时,就会发生爆炸,使双方湮灭,同时放出物质中的能量。在这些惊讶的现象面前,人们更迷惑了,反物质是一种新物质吗?它和物质又有什么区别?能量难道只是一种运动吗?

  回顾二十世纪物理学的发现,我们都可以发现,与应用科学日新月异的发展速度相比,理论物理学早已失去了它曾有过的勃勃生机,尽管一个个新的亚原子粒子和未知天体被不断发现,但物理学研究的进展却举步艰难,理论本身也杂乱无章。这种情况显示,科学家已经陷入了众多个别现象的纠缠之中。的确,我们不得不承认,在我们这个“自然科学的新世纪”里,科学和哲学仍反常地严重对立,就以对物质不灭的信仰而言,物理学家们已经放弃了这个长久以来的信仰,而把物质视为可以消失和创造的东西。本来,这种根本性的谬误在今天是不值得一驳的,因为直到如今的经验告诉我们,没有任何一种能量不是物质运动的结果,不管有形的物质运动,还是混沌的物质运动,或者是两者的运动,能量都依附于物质。然而,许多科学家对哲学一知半解,竟机械地把物质和能量分开,无疑反映了时髦的哲学观念在他们心目中的根深蒂固。

  当我们恢复了统一的自然观以后,物质和能量这统一物质世界的两种基本属性已经有机结合起来了。自然界的物质可以分为两类,一类是有组织的实体,它是有形的、可见的,通常我们物理学上的物质概念就是指这一类;另一类就是混沌而无形的物质场,它是无形无象、无所不在的,在物理学上,物理学家们通常基于不可观察的理由不予承认,事实上,如果你坚持自然界的统一性,你就会明白,自然界是连续的,统一的物质就充溢在无限宇宙空间的每一个角落。物质都是在反抗外在世界的压迫中存在的,所以,物质和场本身就是充满紧张和生命力的,由于它们都是在反抗外在世界的变化中存在,因此,它们的存在是和周围世界的变化息息相关的,不存在任何一个天赋的物体。

  每一个事物都有一个产生、发展、壮大、衰退、灭亡的过程,在这个过程中,事物的产生显然不可能是无中生有,它都是在周围物质紧张的不对称作用之下产生的,是混沌物质的一种有组织结构,这里的物质和能量是按照一定秩序运动的。有序结构的存在也是有条件的,这就是外在世界持续不断的不平衡运动,只有这种先决条件下,这些有序结构才会不断地在反抗这种不对称中发展、壮大;如果这个有序结构被孤立于世界之外,那么它就只能按照势力学第二定律单调地走向灭亡。自然界的本质是不对称的,物质世界的丰富多样正是由这种不对称造就的,不同的生成环境产生了事物与众不同的性质,同时也使每一个事物只能存在于一定的条件下,当外在世界的变化超过了这个范围,这个事物就不得不在事物之间的竞争中走向灭亡,并释放它内聚的能量。这里需要指出的是,与事物的产生过程对应,事物的灭亡也不是从有到无,它只不过是事物有组织的形式离散罢了,这种离散的物质还会在其它能量的作用下形成另一种性质的事物,自然界的能量就是在事物的这种周
期生成与灭亡之中流动的。

  昔日,爱因斯坦曾为实体与能量场的统一苦苦思索,但最终由于没有认识到统一物质世界内在的生命力而失败。今天,通过对事物变化过程的分析我们就可以知道,事物的周期生成与灭亡本身就是广义的能量场,因为在这个过程中,每一个事物都是在能量的激励下产生的,它内部蕴藏着较大的能量,与其它动能形式的能量不同,这里的能量是在事物与外在世界的相互作用中相对稳定存在的,是一种秩序存在的势能。当这个事物被迫灭亡的时候,这里的能量就会不对称地突发出来,并会激励周围混沌的物质重新形成有组织的形式。能量场就是对这种周期运动的能量一种描述。不过,我们通常所说的能量场不是指这种可见的周期运动,而是存在于微观的、周期变化速度极快的能量形式。如电磁场就是更微观的粒子周期生成与灭亡造成的能量运动;引力场则是混沌的统一物质单向的聚散;生物的能量场是与众不同的,它是由氢质子在连续的水环境中周期递进引起的离子周围有序水层的组织与离散。

  爱因斯坦曾经预言,每一个实体周围都存在着一个能量场。事实上,这正是每一个实体秩序存在的先决条件,因为这些实体都是通过这个能量场和外在世界不断进行着物质和能量交换,从而把自身保持在持续不断的运动之中。一方面是由于实体内部的自组织功能,不断地把混沌物质组织成自身的一部分,物质占有的空间缩小了,周围混沌的物质便会不对称地移动过来,使这个事物表现出了吸引力;另一方面则是通过各要素之间的生存竞争将一些变异的要素淘汰出局,这不仅可以保持自身稳定的性质,而且还可以通过一些要素的向外扩散
或灭亡向周围耗散自身的能量。

  自然界的物质都是在紧张的运动中存在的,能量就是对这种物质紧张程度的一种描述。相比较而言,有序结构内部的物质密度较大、紧张程度较高,内在的势能就比较大,但动能则相应较小;而在有序与无序变换中存在的能量场物质密度较小,紧张程度亦小,内在的潜能相应较小,但物质的动能较大。所以当实体沦于混沌的时候就会释放它巨大的潜能,当混沌物质受到能量激发的时候,也会组织起来形成有序结构。在这些过程中,物质是不灭的,能量也是守恒的,不过这是相对于整体宇宙而言。

  我们知道,每一个系统空间的物质分布都是不均匀的,不论是巨大的有限宇宙、还是组成它的每一个星系、星体,甚至是宇宙的基本构件--微观的原子、粒子,它们都有一个中心和相应的层次存在。如宇宙是由一个密度极大的中心星团和密度逐渐变小的星系、星体组成的;太阳系是由密度极大的太阳和密度逐渐变小的行星和卫星组成的,而原子则是由一个密度极大的原子核和一个秩序井然的物质空间组成的。这些现象都显示出,系统空间的物质分布是有规律的,这表现在从系统中心到它的无限边界物质密度总是连续变小的,物质之间的势能也是连续变小的,但物质的动能却是连续变大的。这样的空间只可能在运动中存在,一方面是混沌的物质在脉动之中趋向于系统中心,而有序的物质却由于竞争随着系统能量的耗散趋向于系统无限的边界。

  自然的本质是不对称的,尽管有时我们看不到这种不对称分布和运动的物质,但它的客观实在性却是不容置疑的。这不仅是因为自然界的美正是来自于物质的这种秩序存在,更主要的是每一个事物的存在都依赖于对这种不对称物质运动的反抗,或者说,每一个事物产生与发展的先决条件就是物质世界的不对称运动。当然,我们并不否认,自然在向我们展示了它不对称的一面的同时,还向我们展示了它对称的一面,这种对称就是由系统中各要素之间的竞争引起的,这主要表现每一个要素都根据自身的组织能力占据着一定的物质量和物质空间,组织能力大的占据的物质量和物质空间就大,组织能力小的则相应占据的物质量和空间就小,不过这并不是绝对的,因为自然是变化的,每一个要素的组织能力也是随着它对环境的适应能力而变化的,这就使得空间中的物质永远是在运动中存在,并且不断趋向于一种动量势上的对称。

  许多物理学家都说过,所有的自然力均来自局部对称性的要求。不错,每一个事物的存在都是在反抗自然界的不对称运动中存在的,它永远的运动趋势就是不断与大自然的不对称变化相平衡,因为每一个事物的力量与整体的大自然相比都是极端渺小的,在它与大自然的对立之中,它只有顺应大自然的变化并做为大自然的一部分才能够存在,所以,为了自身的生存与发展,每一个事物都不得不通过内部各要素之间的竞争来保持内环境的一种平衡,并不断与自然的变化相平衡。事实上,也正是事物这永恒的运动趋势,使大自然整体出现了一种普遍联系方式。引力波和电磁波就是对这种不断趋向平衡的物质运动的一种描述。

  在自然界中,微观的物质运动总是决定宏观的物质运动。自然界最微观的当属在紧张脉动中存在的统一物质,这种脉动是由各星体内部原子之间的竞争引起的,大量原子不断的周期生成与灭亡所带来的能量耗散使连续在宇宙空间的统一物质不断地组织与离散,自然界的能量就通过这种递进的方式流通于自然界之间,从而把组成宇宙的每一个子系统同整体宇宙的发展普遍联系起来。电磁波是由组成原子的各要素之间生存竞争引起的另一种普遍联系方式,它通过连续的物质空间粒子的周期生成与灭亡把诸多原子集合和星体、星系的运动紧密联系起来。由此可见,微观世界的不对称运动是本质的,自然界诸多事物的存在都是与这些不对称运动的相互作用分不开的。

  在孤立系统中,每一个事物的发展趋势都是从不对称到对称,但如果这个系统是整体宇宙,那么,物质世界的不对称是从哪里来的呢?回顾一下热力学第二定律产生的过程我们就可以知道,如果我们始终坚持物质世界的运动不灭,那么我们就可以得出一个重要的结论,这就是孤立系统中的能量是不可能消失的,它只可能是在微观的不对称运动中存在的。现在,许多科学家的观察已经证实了这一点,达到平衡态的孤立系统中,物质仍是在运动中存在的,这种运动就是物质周期的组织与离散。也就是说,自然界的能量是永恒的,一个有组织的结构灭亡了,它释放的能量又会引起另一个物质的再组织,能量就是在物质的这种周期组织与离散中存在下来的。显然,我们把有限的宇宙当做宇宙的全部是可笑的,因为宇宙本身是无限的,我们今天所看到的宇宙只是无限宇宙的一部分,它的灭亡所释放的能量必然会引起另一个有限宇宙的再生,同样,它的生成也依赖于更大范围的有组织的系统灭亡所带来的能量耗散。

  宇宙是一个进化而来的巨系统,它通过各要素之间的竞争首先优选出一个中心,在中心要素的协同下,各要素组织起来,共同反抗无限的宇宙的变化,从而达到了一种有序的结果。由于宇宙空间不断有大量有序结构生成,缩小了物质的占有空间,造成了一个低势点,无限空间的混沌物质便源源而来,引力现象就是物质的这种不对称运动引起的。在系统内部,由于大量要素的不断形成,生存竞争日趋加剧,于是,不时有一部分要素在竞争中灭亡,并突发地释放内在的潜能,从而引起了连续在宇宙空间的混沌物质周期组织与离散,宇宙就是通过这种特殊的能量运动方式普遍联系着整体。在系统的发展过程中,能量的聚集和耗散总是不对称的,它随着系统的发展、壮大而增加,并随着系统的衰退、灭亡而消失。尽管在局部的系统中能量是不守恒的,但相对于整个宇宙来说能量却是不生不灭的。

  恒星发光问题一直是现代科学争论不休的话题,尽管有多种多样的说法,但我们发现这些都是想当然地把太阳孤立出宇宙之外单独研究的得来的。作为一个秩序存在的系统,没有和宇宙空间的物质和能量交换是不可思议的,科学家把太阳发光的原因归于它的无私奉献,不完备性是显而易见的。太阳系可以看作一个生命系统,它毫无例外是在反抗更大的宇宙空间中存在的,因此,它的能量不是来源于它自身,而是从反抗自然变化中获得的。太阳是一个在进化中存在的实体,而不断地从无限宇宙获取物质并组织为自身的一部分是进化的基础,太阳获得了运动的物质,也获得了巨大的能量,为了维持自身的秩序,它就会象任何一个生命系统一样通过连续的物质空间把能量耗散出去,太阳的巨大能量正是这种能量耗散的一种表现。

  自然是进化的,如果你相信自然进化的物质性,进化必然是由不对称的物质运动造成的。因此,时间和空间的不对称是显而易见的,物理学只有站在发展的角度之上却分析每一个事物才是有意义的,自然界的事物都是在反抗外在世界不对称的物质运动中存在的,它们都不外乎有一个产生、发展、壮大、衰退、灭亡的过程。
 
   在这个过程中,事物都不需要人为的推动,仅仅依赖于对自然变化的反抗,而把自身保持在持续不断的运动之中。在这里,我们有条件这样说,每一个事物都是一个永动机,尽管事物的运动都有不可避免的磨擦,但事物总能从对大自然的反抗中获得能量,并保持这种运动。

  任何一个系统都是在反抗外在世界变化中存在的,这包括我们所有用于计量时间的时钟,如原子钟、摆钟、生物钟等。它们的时间尺度体现了这个周期运动的事物对它所存在的物质环境的反抗程度,时间的变化不仅反映了它所反抗环境的变化,而且也反映了系统动能的变化。每一个事物的存在都不是永恒的,它总是生于混沌,死于混沌,它的生旺死绝过程体现了自然的不对称变化。因此,时间是某一物体相对于变化的物质空间的一种反应。物体在,时间在;物体亡,时间亡,时间伴随着每一个物体的生旺死绝过程。

  时间是相对于空间存在的,由于空间是不对称的,因此,不同的空间物体在其中有不同的时间尺度。例如,在爱因斯坦的相对论中曾经预言,原子钟在地球空间不同的高度上,高处的时钟较低处的时钟变化得快一些;在地球自转方向上,逆行飞机上的时钟将比以同样速度顺行飞机上的时钟走得慢。今天,这一点早已得到实验的验证。但需要指出的是,时间不仅仅是一个相对于空间的概念,而且还是一个相对于具体物体的概念,不同的物体在同一空间也有不同的时间尺度。例如,我们增加摆钟的摆长,摆钟将要走得慢一些,反过来,如果
我们减小摆钟的摆长,时间就要走得更快一些。

  在现代物理学中,时间是一个混乱的概念,这一方面是因为物理学上的空间是建立在对称的基础之上的,即这里、那里和所有地方没有区别,这种情况就使人们相当然地认为时间在空间也是对称的,即今天、昨天和明天没有区别,如果说有区别的话,那只是人为的感觉造成的。可以说,正是这种心照不宣而没有任何必要的假设造成了现代物理学的困境。另一方面,由于时髦哲学的诱惑,人们一直相当然地认为只有生物才有生命,其它的事物都是死寂不变的,这就使这些事物相对于空间的时间尺度变化成了不可变的标准。事实上,每一种
事物都是有生命的,而且不同的事物相对于同一空间的变化时间尺度也是不同的。

  自然界的本质是不对称的,正是这种不对称的存在,才有可能使局部的混沌物质在反抗这种不对称中出现丰富多样的组织形式。在宇宙空间,原子常常被认为是组成宇宙的基本构件,它是死寂不变的,但科学的观察证实,原子是一些秩序的存在,这就从根本上证伪了原子没有生命的设想。原子是一些生命系统,因此,它和万物一样有着一个产生、发展、壮大、衰退、灭亡的过程,通常原子都是在反抗星体内部物质巨大的层次相错力的作用之下产生的,又不断在反抗引力空间的不对称运动中存在,这就使它内在蓄积着巨大势能能够较为稳
定地存在。不过,这种稳定是相对的,当外在环境变化的时候,原子就会随着外在环境的变化产生适应性变化。例如,当我们以一定速度移动原子的时候,在速度方向上混沌物质的压力就会使原子时钟的尺度变慢;而当我们将原子在不对称的地球空间位置升高的时候,由于它所反抗的物质空间的紧张程度变小,原子空间就会向外扩张,时间尺度就会变快;反过来,如果我们将原子放在一个物质密度比较大的空间,外在物质压力的增大则会使原子的空间收缩,时间尺度变慢。而且这种变化如果达到一定极限,原子就会发生突变,从而变成另一
种性质的原子,或直接走向灭亡,即组织形式的消失,并释放它巨大的内在势能,此时,再谈论原有原子的时间就没有意义了。

  时间是一个系统对外在世界变化的一种物质性反应,与此对应,能量也是一个相对的概念,它指的是系统中物质存在的紧张程度。对于一个系统而言,它有序程度越高,物质密度就越大,相对物质之间的紧张程度就越高,内聚的能量就越大,如原子能就是原子在反抗不对称的引力空间中秩序存在的有序能。相比较来说,能量场中的物质是在不断周期性地组织与离散中存在的,由于物质的离散度较高,密度相对较小,因此,物质之间的紧张程度较小,内在能量也较小。

  能量守恒和转化定律是自然界的一个基本定律,也是久经验证的一个规律,但自然界的本质是不对称的,系统是如何在反抗这种不对称的物质运动中保持了它能量上的守恒呢?原来,物质世界在永恒的不对称运动中还保持了一种相对的对称,这种对称是存在于每一个系统之中的,不过,这种对称与现代物理学家心目中那种“绝对对称”是截然不同的,它表现的既不是物质分布在空间上的对称,也不是物质在对称中的死寂,相反,这是一种充满生机与活力的对称。我们知道,每个系统都存在一个统一意志,这种意志是由组成系统的诸要素
生存竞争的结果所决定的,如果有一个要素在竞争中脱颖而出成为统治者,那么它就会通过诸要素之间的竞争将自己的意志强加在每一个要素身上,与这个意志相顺应者,就能够在系统空间不断产生并发展起来,而与这个意志相违背者,就不可避免地在与众多要素的竞争中遭到淘汰,正是在众多要素的周期生成与灭亡之中,能量周期递进于系统空间,从而使系统出现了一种动量势上的平衡。既使这个系统中没有哪一个要素能够竞争出来成为统治者,这个系统仍会在诸要素的竞争中保持一种动量势上的平衡,尽管这是一种无序的竞争。由此可见,能量守恒是一个相对的概念,是出于系统不断走向平衡的要求而出现的。简单地说,在这样一个动量势对称的空间里,既使一个系统在某一时刻获得了内能或动能,但它迫于环境对称性的要素,便会立即释放这些内能或动能,来保持它和整体空间的一种和谐,在这个过程中,整个系统对外表现出能量守恒的性质。如摆钟系统中的动能和势能转换。但是,如果某一系统在某一时刻受到的作用力大于某一个极限,系统就会发生突变,
从而使系统变成另一种性质的系统或走向灭亡,此时系统局部的能量也随之不守恒了。如果我们欲使之守恒,就不得不扩大系统的范围,如原子的衰变。

  物质和反物质的同时出现是最令人惊讶的了,不过,如果我们恢复了统一的自然观,就很容易认识到,物质和反物质都是由同一种实在组成的,不同的只是它们的运动状态,这就颇像有机物中的左螺旋和右螺旋结构一样。自然界的每一个秩序存在的系统都是周期运动中存在的,当混沌物质受到能量激发的时候,同时产生的两种自旋方向相反的粒子是可以预见得到的,它符合动量矩守恒定律;当自旋方向相反的两个粒子接触后,剧烈的压迫将使两者的秩序土崩瓦解,并向外释放能量。不过,在一般情况下,自旋方向相反的两个粒子总是相
对于某一个奇点(系统中心)而稳定存在,因此,自然界不存在什么单调的正反物质两个世界。

  现代物理学对能量的认识是无知的,最鲜明的就是不承认能量的物质性,把物质的离散视为物质的灭亡,把物质的聚合视为无中生有。当我们重新确立了统一的自然观之后,这些违背哲学的时髦观念烟消云散,展现在我们面前的就是一个由统一物质之间朴素作用而组成的既简单又复杂的世界。在这个世界中,力的产生不是随机的,而是和每一个系统有机的组织分不开的,聚则产生引力,散则产生斥力,系统特殊的非线性联系方式又使这些表现出来的力大相倾庭。如生物系统的生命对应的是连续水环境中的质子周期递进,星际间的万有引
力对应的是由质子和中子生存竞争而表现出的在连续的物质空间的引力脉动;非生物系统的电磁力对应的是由
引力脉动和物质磨擦所引起的物质有序和无序的周期转换。总之,自然力是统一的,并且可以在某一个基础的量上相互转化。

  现代物理学一直是从对称角度来理解自然的,尽管这种观念说明了走向对称是一切系统内在发展的动力,但我们也知道,系统一旦走向了对称,系统秩序就消失了。显然,如果自然界的本质是对称的,那么,自然界的一切秩序就会不可逆地走向无序。事实上并不是这样,自然界的秩序是稳定存在的,最显明的就是组成世界的最基本构件--原子这些典型的有序结构的存在,这也从反面证伪了现代物理学的基础--对称。

  宇宙是在发展中存在的,它的物质空间必然是不对称的,并且是在运动中存在,组成宇宙的每一个子系统都是在反抗宇宙空间的这种不对称中存在。因此,每一个系统都可以从对自然变化的反抗中获得能量,克服磨擦,并把自身保持在与宇宙对应的运动之中。在近代物理学的发展过程中,永动机的制造曾风行一时,但他们都不外乎采用机械组合的方法造成一些没有生命的系统,由于各要素之间的竞争是无序的,因此,它的反抗能量的耗散也是无序的,我们不可能从这里获得可利用的能量。不过,在我们谨慎地分析了能量守恒和转化定律的真实意义之后,我们就已经明白,能量守恒仅仅是针对孤立系统或无限的宇宙整体而言的,如果对于一个和无限宇宙有普遍联系的开放系统而言,能量守恒仅仅表示了系统不断走向对称的趋势,事实上也正是系统的这种不断的走向对称的趋势,使系统获得了反抗的能量,从而使它得以成长、壮大。

  人类是一种智慧的生命,这种智慧不在于他能够利用自然的能量去“改天换地”,而是在于他能够通过对能量运动规律的把握去获得能量,这种能量不仅包括人可以通过对一些事物有机的组织从大自然中获得能量,如植树造林,还可以通过自身的组织从广阔的大自然获得能量,如气功就是这样一种积极的实践。由此可见,只有把事物有机地组织起来,我们才能从大自然中获得永恒的能量,如果不注重对自然事物有机的组织,只注意到了自然有限的能量,那么,我们用完了这些能量,又会去企求哪一位超自然的神灵呢?
 
 
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