中国科学院生物物理研究所
能量是做功的能力,是事物发展变化的驱动力,这种力量来自事物从非平衡态向平衡态的转变。一个系统只要不平衡就会有生机,不平衡的系统总有一股力量推动系统达到平衡,系统一旦达到了平衡就如一潭死水,不再有生机。浩瀚宇宙是远离平衡态的非线性的开放系统,所以充满能量和生机。远离平衡态意味着能量不是均匀分布的,而是粒子化存在的,可称之为“能量子”。非线性意味着“能量子”所含之能量也各不相等。开放系统意味着无边无际,无始无终,不同的“能量子”彼此纠缠、交换能量、转变结构、聚合、分散、变来变去永无休止。但无论如何变化,宇宙能量的变迁永远遵循热力学基本定律,即能量守恒原理。能量不能自生也不会自灭,只能从一种形态转变为另一种形态,或从一个物体转移至另一个物体。
你可能会问,为什么说宇宙充满能量而不说充满物质?
的确我们看到的外部世界充满各种各样的物体,世界实实在在是物质的,但世界也实实在在是能量的。爱恩斯坦之所以伟大就在于他把物质不灭和能量守恒这两个科学基本定律用一个质能转换公式(E=mc2)沟通成为一个不可分割的整体,物质是能量的,能量也是物质的。
让我们回到爱恩斯坦的质能转换公式(E=mc2)上来理解“能量子”的概念,公式中E代表能量,m代表质量,c是光速。我们可以这样理解:能量E是以粒子性存在和波动性传播为特征。质量m代表能量的粒子性存在,即能量的实体性、物质性、和结构有序性。c是光速,是不变的常数,但它赋予了“能量子”波动性传播的空间和时间特性,这个特性是物质结构有序性赋予“能量子”的外在属性,可以理解为“场”性。就像引力场把无穷大的天体星球捆绑在一起一样,无穷小的宇宙中也存在把所有“能量子”纠缠在一起互相发生关系的能量纠缠场。两个不同的“能量子”A和B能够纠缠在一起成为一个新“能量纠缠子”AB的条件是必须释放一部分能量,即新的“能量纠缠子”AB的能量总是小于A和B的能量之和,这个差额定义为“纠缠度”,纠缠度越大,“能量纠缠子”AB越稳定。
如果我们把自然界的物质进化,从简单到复杂,从低级到高级,从无生命到有生命,看作是宇宙能量实体性结构复杂化和有序化程度逐渐增高的突变产物,那么我们就可以用宇宙能量和能量纠缠的原理,解释生命起源这个介于微观粒子起源和宏观天体起源之间令人充满猜想的科学问题。
生命是地球上借助太阳能的驱动由非生命物质进化发展而来,生命体是物质结构复杂化和有序化程度达到极致的产物。微观宇宙中每个“能量子”都处于与其他“能量子”的纠缠中,简单的“能量子”聚合成复杂的“能量纠缠子”一定会释放一部分能量,这部分释放的能量和新“能量纠缠子”物质结构有序性的增高是等值的,或者说有序性的增高是这部分能量做功的效果。下图显示了自然界物质从分散到聚合遵循的热力学“负熵”原理,热力学用“熵”描述无序性,“熵”减少意味著有序性增加,物质从无序分散到有序聚合是产生“负熵”的过程。
量子纠缠形成基本粒子是微观物理学的研究内容,基本粒子就是各种量子有序性聚合的产物。物理学家认为基本粒子具有粒子和波动两重性,这和能量子具有粒子性存在和波动性传播是一致的。
基本粒子聚合成化学元素,遵循严格的原子结构有序性,体现在元素周期表中从上到下的粒子增加和从左到右的电子轨道填充规律。地球上所有的物质都是由周期表中的元素组成,这是化学家的研究领域,化学键的键能是衡量有序性增高或降低的度量。
碳元素的共价结合显示了物质结构有序性增高赋予碳材料新属性所带来的极高应用价值,如碳元素聚合成石墨、碳纤维、碳纳米管、碳烯、金刚石,以及碳化合物单体乙烯聚合成多体高分子聚乙烯朔料,单体丙烯聚合成聚丙烯尼龙等。碳元素实体性物质结构复杂化和有序化的不同赋予了碳元素截然不同的工业应用价值,成为材料工业发展的巨大财富。