当今人们所创建的物理学规律是以四种相互作用力为基础的。虽然所有规律的认定都要通过实验来检验，但越是底层的假定就越难以被实验所验证，如夸克作为最基本的物质单元，人们要观测到就非常困难。另外，对于特别具有简单性的物理思想，人们也并不会去追究其与实验的吻合程度，如下文我要分析的Landau破缺。这些都体现了，科学最底层的思维逻辑与宗教信仰很类似——人总是要预先认同某些最基本的、同时也可能是无法检验的思想理念作为逻辑推论的起点，这就是我在前一篇博文中所指的话语体系。我认为，当今物理学的话语体系有两大特点。一是来自人类的好奇心，从物质的基本结构如夸克模型，到宇宙的原初状态如时间起点问题。这些自然界最基本的问题很难被实验观测到，但人们偏偏对这些基本问题兴趣盎然。二是对称性及其破缺的物理学理念，这体现了人类把对简洁和美感的追求引入到了物理学规律，让人觉得对规律描述之美感的重要性，甚至超越了正确性。

为此，物理学发展至今，能够被人们所接受的理论观点有何标准？自Galileo和Newton创建经典物理学以来，人们所创建的物理学理论哪些被保留了下来，哪些则被淘汰了？这当中被实验证伪的理论当然就会被淘汰。但未被实验证伪的也不一定就能保留下来，能被人们认同的理论，往往要符合我们人性思维的预期。局域描述可决定整体特性的还原论思想，和以上对称性及其破缺这些理念，就容易被人所接受而构成了当今物理学最基本的话语体系。我称这就是形成物理学规律的第一条思路。然而，人们对世界的认知，是否还可能存在第二条思路，即从系统演化的视角来理解呢？这是我所设想的，把宇宙的规律着眼于自大爆炸以来所形成各种稳态结构及其转化模式。这就是系统演化视角，它会带来全新的物理学分析框架。我们要研究的是以上各种物质稳态及其稳态之间转化的规律。而本博文我要论证的，就是这当中的一个核心概念，聚分演化。其物理内涵体现了以下两点：

首先，物质演化要走向复杂性，就其内因来说，要体现为大系统会分岔劈裂为若干小系统，进而小系统也会不断聚集合并成大系统，这属于系统的不断振荡行为。而外因则来自导致以上振荡的外部环境之随机力，如公转和自转导致的地球温度之变化。其次，更为关键的是，以上物理图像不同于现有物理学理论所基于的还原论和对称性及其破缺的思想，而是体现在系统演化是由熵能判据所驱动的，且演化要以多个系统之间的转化为基础，而并非建构于单一系统之上。因此，基于复杂系统的聚分演化理解，就完全不同于人们以往对于单个系统的相变理解。在以后博文中我要还分析的蛋白质折叠或地球磁极翻转之物理原理，就完全是建立于以上聚分演化描述。聚分演化之物理图像的建立，最早要追溯到我读本科学习统计物理学时对于Landau对称性破缺思想的质疑，本博文正是以此出发来展开讨论的。

鉴于我这个博客系列并不完全是写给物理学人的，对生物学或经济学的人士也有参考价值。所以，此篇博文作为前一篇导读之后的第二篇，是具有科普性质的。我主要谈的是我的以上聚分演化思想的来源和基本内容。第一部分要介绍的是系统演化存在着两类基于熵能判据的驱动力，这体现了局域和整体规律有两种表现形式。第二部分要分析聚分演化的环境因素，周期性的随机力是引导聚分演化的关键因素。第三部分我要介绍宏观结构稳态和微观量子翻转问题，这两个概念是新的物理学分析框架下的基础概念。以上描述要涉及到我们对量子力学的全新认知，但我会尽量写得通俗一些：即便没有量子力学基础知识的博友也应当可以理解。而以后的博文就要涉及到更高深一些的物理学知识，或许要受过一定的物理学训练的博友才能理解。

2.1 两类演化驱动力——从对Landau破缺的质疑谈起

在物理学理论中，往往越是简单的思想就越具美感而容易被人接受。Landau于1937年提出的对称性破缺概念就是一个典型的例子。早年Landau提出这个概念时只是用来解释相变问题，后来它被应用到粒子物理学成了Higgs机制，Guth再将其应用于宇宙早期则创立了暴涨宇宙模型。但是，对称性破缺的基础必须建立于以下逻辑假定：任何物态相变前后，都要处在同一系统之中。只有这样，系统才会存在一个唯一的自由能：尽管其微观特性要用基于几率的自洽方程来描述，但其宏观的热力学特性却构成了单一平衡态。其合理性基于要把热力学自由能看做是温度和序参量的函数。然而，如此基于单一系统的理论描述，却与物质世界的现实演化过程并不相符，对称性破缺的思想在很大程度上，可能误导了我们对真实相变的理解。

事实上，当年我作为大学生在学习Landau理论时，就认为教科书里的列举的三个例子，铁磁相变、格气相变和合金相变，这些也都是Landau原始文献的举例，可能都有问题的。不过，这里我要先澄清一点。我的质疑只是认为，Landau把理应属于聚分演化的多系统问题当做了简单的相变问题来处理，如此过于简化的处理无法真实地描述相变过程。但是，我绝未否定Landau作为物理学家的洞察力。事实上，我下面要谈到的用磁畴现象来反驳Landau的对称性破缺描述，这绝不可能是Landau本人所没有想到的：因为铁磁体的磁畴理论就是Landau提出来的。我的质疑只是体现在，Landau破缺的简单描述只是建立在单一系统之上，从而丧失了基本的正确性。但物理学界却认同了如此简化，犹如人们认同了艺术虚构的必要性一样。另外，对于Landau破缺的思想本身，我依然承认其价值。在以后的博文中，我还要对Landau破缺、李-杨破缺和Anderson破缺这三种物理学的破缺理论做一番比较。

本小节先分析铁磁相变。铁磁体在温度升高以后磁性会消失不假，但冷却以后系统会重新回到自由能极小的状态，从而会发生自发磁化并恢复铁磁性吗？不但用Landau在1930年代基于平均场假定的对称性破缺理论是如此描述的，后来Onsager和杨振宁给出的Ising模型严格解，还进而具体给出了自发磁化的数学表达式。然而，以上对称性破缺描述以及自发磁化的概念，在我看来似乎过于简化了，这并不是对具体铁磁性材料的真实描述。现实的磁性材料在高温退磁以后，即便环境温度恢复到了常温，磁性材料之磁性也不会恢复，即所谓的自发磁化并不存在。我之所以在学习Landau相变理论时就有如此强烈的质疑，这来自于我孩提时代的经历。

在那个物质匮乏的年代，我小时候根本就没有玩具的概念：玩沙子玩泥巴，若有一块能吸引铁钉的磁铁，就属于难得的玩具了。这些磁铁通常是从废弃的电话机或电喇叭中卸下来的。我记得有两次我把磁铁放入火炉里，但之后却发现回到常温后其磁性就消失了。为何会有两次？第一次还是很小的时候，我出于好奇的行为。第二次则是在多年以后，我大概13、4岁了，得到了一块来自纸盆破裂的永磁喇叭的磁铁，它比以往环型磁铁喇叭所用的磁铁要小很多，磁性也更强。当时，我就琢磨着为何叫永磁喇叭呢，其含义除了磁性更强是否还更能耐火烧？这么一想，我就拿这块磁铁再做一次实验：把它投入到火炉中。但不幸的是，其磁性还是消失了。当年，我为此还心疼了好多天。

后来，学习了大学普通物理课程后我才知道，磁性材料在高温冷却之后，往往会形成各种磁化方向不同的磁畴结构。虽然每个磁畴结构都具有特定的磁化方向，也可以说形成了局域的自发磁化，但不同磁畴的磁化方向不一，且不同磁畴之间还存在磁畴壁，因而铁磁体在高温冷却后，就无法呈现出宏观磁性。只有在强外磁场的诱导下，磁畴壁才会消失，所有磁畴的磁化方向才会转向一致而形成铁磁性。对于磁畴结构，现有的理论只是粗浅地认为，其原因是为了抵消铁磁体的磁场能，但这个理论解释我却认为并不太合理。相邻磁畴间形成的磁畴壁所增加磁矩耦合能会导致宏观的铁磁性不显现，这显然是系统自发演化而形成的稳态。而在外场诱导下，磁畴壁会移动直至消失而形成铁磁体，其能量会呈现为外磁场，这显然又是另一种稳态。

为此，任何铁磁性在高温退磁以后，为何只会呈现出前一种形成磁畴和磁畴壁无外磁场的稳态，而不会呈现出保留部分或全部铁磁性，呈现为具有外磁场的稳态？显然，外磁场的消失一定意味着，铁磁体系统进入到了一种更为稳定的状态。这一稳态为何会压倒其他稳态，即不会呈现出完全的、或部分的磁性的稳态？现有的铁磁性理论对此并无解释。

进而，我当时学统计物理学课程时，虽然并未学习关于相变的威尔逊的重整化群理论，但该理论恰好在那一年获诺贝尔奖。所以，我去听了介绍一次该理论的科普讲座，后来又读了于禄郝柏林二位先生在《物理》杂志发表的相变与临界现象之系列文章。在1984年，这些科普文章还进而被编写成了一本科普读物《相变和临界现象》，我后来也买了一本。当年我就感觉，自旋归并的Kadanoff变换虽然只属于数学处理，但其物理图像似乎要比Landau的平均场描述，还更接近真实的物理过程。重整化群的数学描述实际上也可以看做是解释了磁畴结构所形成的机制，Kadanoff的自旋归并就是对磁畴形成过程的描述。

事实上，随着系统温度下降逼近Curie温度相变点，自由能的降低要让不同磁矩的原子磁矩发生归并到同一磁化方向，从而形成了磁畴结构，这就体现了Kadanoff变换的物理图像。而不同磁畴的磁化方向是随机的，所以铁磁体不呈现出宏观磁性是具有合理性的。但是，重整化群的描述也有其与现实铁磁体不吻合的一面：为何系统自旋归并到一定尺度就“归并不动”了，从而要固化为磁畴结构？Kadanoff变换并不会“变换”到形成整块铁磁性之磁性一致的地步：重整化群理论在这一点上，似乎也与真实的物理演化图像相违背。但受此重整化群思想的启发，对于磁畴形成的物理图像，我倒是有了更为清晰的认知，其演化过程大致可分为以下两个步骤。

首先，随着系统温度的下降，铁磁材料动态演化形成磁畴的第一个步骤就是磁矩归并，即各个磁矩原子在不同的空间点所自发形成磁矩，会归并到同一方向。这一不断增长磁性原子之归并所形成的磁性原子团簇就类似于“自发磁化”，但这种“自发磁化”并不会无限地拓展到整个铁磁体，而是要止步于磁畴结构。进而，第二个步骤就是形成磁畴和磁畴壁结构，这是一个整体的概念，而并非如同气体分子一样完全具有个体随机性。前述重整化群完全将其看做完全随机性也并不准确。事实上，不同的磁性材料会形成其特殊的磁畴和磁畴壁结构图案，如铁和钴的磁畴形状就不一样，它们并不是，或者至少不完全是随机过程。该第二步骤还有个重要的特点就是，相邻的磁畴之间所形成的磁畴壁还会动态地自发调整，而令整个铁磁体的磁化强度等于零。

这样一来，除非有外加磁场的作用，所有铁磁体的磁畴结构就相当于由两个系统构成。一是各个小磁畴结构，这个小系统本身是稳定的，倒是可用Landau破缺来描述。二是各个小磁畴之间还存在磁化方向不一致而形成的磁畴壁。从而，小磁畴和磁畴壁构成了大系统，这个大系统就不能用Landau破缺来描述了。但这个大系统本身却是一个稳态的结构——它并不会“自发磁化”形成大系统，而且其整体效果还要呈现为整个铁磁体之磁化强度要恒等于零。为此，在大学期间，我很长一段时间都想不明白，为何磁性材料的演化过程要存在以上两个步骤？其过程是要遵循两个不同的原理呢，还是受相同的物理原理支配但呈现出两种不同的表现形式？

我这个人有一个怪癖，对于认真做作业以巩固所学知识，并企图考试得高分，似乎兴趣从来不大。所以，我后来考研究生考托考G的分数都不理想。但是，我的脑子很容易走火入魔，偏偏去想一些自己不该想的问题——只要觉得这个问题有趣且值得思考，我自己因为别的正事要做，而想摆脱不去想都难。以上从Landau相变理论想到磁畴形成问题，究竟源于同一种物理机制，还是要用两个不同物理机制来描述，就是我当年作为大学生时，以及大学毕业后还反复琢磨的问题。为此，我将其与宇宙的演化做了比较，认为两者遵循一种规则可能更显合理。当年我还选了一门选修课，天体物理和宇宙学。事实上，宇宙物质的核合成也要分为以下两个步骤。

太初核合成是第一个步骤，发生在宇宙大爆炸的10秒到10³秒之间，主要合成物是氦和极少量的锂和铍。这就是原子核的聚变，氢弹爆炸就属于核聚变。这个聚变过程对宇宙结构的演化形成很关键。若聚变释放的能量太低，随后的引力作用会把宇宙物质重新聚集在一起，宇宙会立马停止膨胀而开始收缩。若聚变能太大，则所有的物质则又都会弥散开来，宇宙中的氢氦锂铍这些原初物质，就会和光子一样形成气体，而无法形成星系团和星系。所以，宇宙之所以演变得如此具有复杂性，第一个步骤太初核合成非常关键，其释放的能量数目要恰当，不大不小而正好要导致宇宙演化走向复杂性。

第二个步骤为恒星核合成，这当中原子核内之核力特性也很关键，如核力的饱和性。假如核力没有饱和性，原子核就会不断聚变而不会发生裂变，那么原子核就会无限增大，像太阳这样的恒星就无法形成，而是会形成一个无比巨大的星体结构了。然后，这个星体会再演变为中子星或黑洞而很快死亡。宇宙形成的从星系到恒星的各种多样性结构也不复存在。还有其他核力的特性如稳定性也关键，大的原子核如铀是不稳定的，要发生裂变。总之，正是核力的如此特性，才保障了我们地球的化学元素仅有100来种，从而为产生复杂的生命创造了条件。

显然，核合成的以上两个步骤都遵循同样的核力性质，我们的太阳目前还在发生和早期宇宙一样的聚变，这与太初核合成的聚变原理一样。为此，作为类比，既然都是从高温无序到低温后变得有序的演化，宇宙演化中化学元素的生成分为两个步骤但都遵循核力的规则，那么，磁性材料演化形成前述磁畴结构的两个步骤，似乎也要遵循同样的原理。但如前所述，无论是Landau对称性破缺理论所依据的自由能最小的原理，还是Wilson重整化理论所遵循的统计物理学配分函数，都解释不了磁畴形成的以上两个步骤。这当中的问题可能就出在对热力学自由能的定义上——配分函数给出的自由能之数学表达式前面有一个负号，而配分函数的对数必大于零，因而这就会导致自由能之值必为负数。这岂能体现出自由能之物理含义是对外的做功呢？

然而，我在前文所提出的熵能判据之系统活力能的概念，就必然是大于零的正值。由此，若从活力能来理解，似乎就与热力学和统计物理学描述并不一样了。从熵能判据之活力能出发，就不难理解，前述的两个步骤，无论是铁磁体磁矩一致形成的磁畴结构，还是磁矩与磁畴壁形成外磁场为零的去磁化结构，都是熵能系数最大化的体现，或者说熵能判据驱动的结果：前者倾向于形成铁磁体的热平衡态，后者则更像大量的磁畴子系统要进而形成活力稳态，活力稳态体现了系统的活力能和熵值同时达到极大化的状态，我后文再做详细的分析。事实上，前述太初核合成和恒星核合成两个步骤也体现了这两点。这进而说明了系统演化规律和个体相互作用规律之间还必须相互默契配合，而且是熵能判据驱动着系统的演化。

为此，我进一步的思考就是，物理学家迄今对物质系统演化的理解，可能犯了两个错误。第一个错误就体现在不是从系统自身的整体特性，而只是仅仅从个体相互作用的微观特性出发，来理解系统的演化。第二个错误则是把系统演化简单地理解为只是某种相变过程：物态会从一种物相整体地演变为另一种物相，如水凝聚成冰。但殊不知，任何液态凝聚过程始终有气态伴随。事实上，国际温标绝对零度的定义为水的固液气三相共存点也是明证。推而广之，任何物态的演化，是不是也都像前述磁畴和磁畴壁结构一样，是多个子系统或多态共存的系统演化，形成的每个态之基准能量E₀也都不一样？这样一来，对于整个物质世界演化的描述，我们用目前热力学来分析或许就并不准确，而应当要用到可描述多系统演化过程的熵能判据。

以最常见的物质水为例，水蒸气的“基态”可以被看做总能量为零的物态，即在绝对零度下每个水分子都“不动”了。但实际情况是，高温的水蒸气在降温过程中，必然要经历液态水和固态冰这两个阶段。液态水的基态有其液态结合能而体现为汽化热。固态的冰也有其固态的基态能则为溶解热。这些都源于水分子之间存在相互作用，并不能被当做理想气体中的分子。为此，水蒸汽随着在温度的降低，必然呈现为各种状态子系统并存的情形。如此多态共存的系统演化，要满足什么规律？其各个物态，即基准能量不同的各个子系统，其熵能系数之总和必然要实现极大化。这就体现了系统演化的方向要走向多样化和复杂化。进而，温度值也体现为每个系统自身的内禀调节参量。内禀二字的含义，我在第一篇博文导读里已经谈到了。

再回到我当年对磁畴问题的思考上来。磁畴之演化为何要形成了两个步骤呢？这就体现了一个铁磁体系统宁愿要形成各种磁畴和磁畴壁结构，而令系统整体的磁化强度等于零，即把能量储存于相反磁矩原子的“扭结能”之中，而不会让所有原子磁矩都整齐排列从而把能量存放在外磁场上，尽管这两个结构的总能量都一样，且都是稳定的结构。这说明了什么？从熵能判据来理解，这似乎说明了系统在演化过程中熵值和能量是在相互“较劲”的。这才会令铁磁材料的结构更加复杂化和多样化。而整齐排列的磁矩之结构是过于简单化的结构。这正体现了熵能判据的意义，系统演化会自发选择可能状态数目更多的结构。所以，磁畴结构形成的第二个步骤和第一个步骤一样，都属于熵能判据的整体驱动，要令系统走向复杂化和多样化。

2.2 通向复杂化和多样化的聚分演化及其环境因素

本文的目的主要是揭示聚分演化这个概念，这是我在提出熵能判据之前，当年还在读大学期间就在脑海里形成的一些思考。其核心思想是，任何演化既有聚集过程，如前述大量独立的磁性原子聚集形成磁畴结构，磁畴在外磁场诱导下，又会形成一体化的铁磁体结构。同时也有分岔过程，聚集过程的逆过程就是分岔过程，如在高温下又会导致磁畴结构的退磁，铁磁体整体又演变成完全无序的状态，而与其他非磁性材料一样了。为此，这似乎和通常的物理相变理解也差不多。我为何要特别强调聚分这个概念呢？通常的相变过程也可以被理解为从无序到有序的演化过程，没必要特别强调究竟是什么聚分演化。

为此，贯穿本博客系列的核心思想就体现在，演化过程和相变过程是两个不同的概念。相变只是一个体现了系统整体从无序到有序的变化过程。进而，以往人们为解释熵这个概念时，总是将其与时间箭头联系在一起，似乎时间箭头总是要指向无序化，但我认为这个观点是不对的。系统演化的重要特征是既有聚集又有分岔，如此反复并不一定会导致系统演化彻底走向无序化，而是要看具体系统所处的环境情况：系统演化还可能会形成物相分离，即与物态只有整体转化的相变图像不一样。系统演化会令部分子系统走向更加有序化而形成不同的稳态结构。事实上，超导超流就属于这种情形，原来的流体或电子所处的无序化状态依然被部分保留，但却会形成超流之无旋流体结构或超导电子的Cooper对结构的子系统，在下文我就要谈到。这些都是熵能判据导致的结果——它驱动了物态演化走向了复杂化和多样化。

限于篇幅，在本文下面我仅说明两点。一是聚分演化无处不在。物理学研究的所有相变行为，其本质都应属于多系统的聚分演化行为，而并非一个用配分函数或热力学自由能所表述的单个系统行为。二是，我们生存的环境，地球之昼夜四季温度变化，恰好提供了聚分演化的外部环境驱动力。外部环境驱动力通常体现为温度随机力效应，这对任何系统演化走向复杂化和多样化，都起到了积极作用。所以，聚分演化这个概念作为系统概念有意义的，值得我们关注和研究。下面，我就要对以上这两点再给出更加详细的说明。

先谈第一点，再回到通常统计物理教科书中就Landau对称性破缺理论所给出的相变的三个举例，铁磁相变、格气模型和锌铜合金模型。实际上，我们若用以上聚分演化的物理图像来描述，将是更为恰当的。前面就铁磁相变我已做了磁畴演化的描述，不再重复。其实下面要描述的例子，最能体现格气模型的雪花之形成以及锌铜合金的结构问题，似乎比前述磁畴的形成还能好地体现出了聚分演化的多系统特性。

世界上没有任何两片雪花是一模一样的，这说明雪花结构之形成机制并非源于自由能最低。否则的话，自由能最低的状态必定是唯一的态，那么，每片雪花的形状怎么都会有差异呢？所以，雪花的形成过程就属于熵能判据描述的聚集过程——这是一个由概率指向的Markov过程，后文我还要谈到这属于实时演化过程。雪花最初是由一个水分子晶粒不断吸附其他分子而逐渐形成的。一旦在雪花形成过程中，出现了吸附水分子的某种概率偏离，即以上几率集合{p₀, p₁, p₂, …, p_n}中某个比较小的几率p_i出现了，则这个偏离会继续保持下去，但下一步吸附还是受熵能判据支配的，会演化出新的概率集合。正是如此Markov过程，而令自然界每一片雪花的结构都不尽相同。

我当时就想，水所凝结成冰是否也可以被看做演化过程，从而冰的结构也不唯一？果不其然，后来我查找文献后发现，每年平均在Phys. Rev. B上都有1-2篇关于冰的晶体结构之新发现的研究论文。为此，冰的结构之多样性，也完全可以用熵能判据之演化的随机性来解释。这就说说明，水结成冰不能看做是单一系统的相变问题，而是完全无序的水，可能演化出很多种不同的冰的结构，这要依赖于结冰过程所处的环境。出于好奇，我还去查了金属物理学书籍，发现教科书里描写对称性破缺相变机制的第三个例子，锌铜合金也是如此。锌铜合金存在有多种子系统结构，如α结构、β结构以及多种大分子结构。这当然也属于聚分演化而形成的多种子系统结构，而并非简单的从一个单一相而相变到另一个相的对称性破缺过程。

再谈第二点。聚分演化这幅物理图像的意义在于，由熵能判据主导的聚合和分岔之演化过程作为一个随机演化过程，它一方面体现系统演化会导致稳态的各种子系统分离，另一方面更体现出了，系统自发演化能生成新的物质稳态之能力。这才是它与相变概念更本质的区别。现今物理学所理解的相变属于可逆过程，温度降低物态相变成了新物态，温度增高又会返回相变到原物态。但聚分演化就不同了，它可能提纯某种物态或者生成新的物态，这就属于不可逆过程了。这与我们对生命现象之形成过程的理解是一致的：一方面稳定的性状要得以遗传，但另一方面，又会形成随机的变异而创生出优良的性状，并通过生存竞争获得延续。

为此，熵能判据所导致的聚分演化，一方面能让系统固有形成的信息得以传递，同时在另一方面，由于演化概率的偏差之随机性，又会促成新的物态产生或构造出新的物质结构。这是具有积极意义的——熵能判据给我们带来的新的思想认知，正体现在这一点。下面，我再举两个简单的例子来说明聚分演化这个概念可能导致提纯某种物态或生成新的物态，这一演化的图像能让我们对自然现象之演化存在方向性给出解释。

第一个例子是，地球表面为何大量充满了水？我们知道，虽然氧原子O在地球物质中所占比例很高要接近一半，但氢原子H的比例相对而言却很低，只占约千分之1-2。若单纯从系统演化要走向熵值极大而完全无序化的观点出发，则无论如何。我们都解释不了水这一物质的存在：它会以海洋和各种江河湖泊的形式而覆盖了大部分我们赖以生存的地球表面。为此，从聚分演化的物理图像来看，这就很好解释了。这是因为水的液-气（也包括固-液）相变点恰在约300K之地表常温附近，地球自转和公转的日夜温差，是非常有利于水分子在地球表面不断发生气态和液态（固态）之间转移的聚分演化。这就导致了水这一物态在不断聚集和分岔的过程中，被特别分离出来，而成为地球表面最丰富的物质资源。

为此，假如地球表面的温度不在300K左右，情况会发生怎样的变化？我们完全可以设想，若地球公转的半径更小靠太阳更近，那么，地表温度不在300K左右而是高了100K，则地球表面的水就会完全被气化，气态的水分子H₂O只会以类似于N₂或O₂等气态方式呈现在大气层，地表水资源就会不断枯竭而不复存在。若地表温度低了100K左右呢？同样水分子也脱离了聚分演化的温度区间，从而会隐藏在各种其他物质之中，也显现不出来。进而，占地球大气层7成以上的氮，就会取代水而主导了地球表面的液-气相变。这样一来，地球表面则到处都可能看到液氮的气化。在舞台艺术表演中，腾云驾雾之地面舞台效果用的原料就来自液氮。为此，地表温度若低了100K左右，液氮的舞台效果就可能取代天空的云彩….

第二个例子是构成生命的物质，二十种氨基酸的形成机制。我们不难想象，地球表面温度周期变化之聚分演化，除了导致地表之水资源以外，是否也是生命物质的成因？简单地做能量量纲分析就可给出估算，不同的演化过程会导致不同层次的物质结构。地球化学元素的形成来自恒星太阳的的核能聚变，这需要GeV也就是10⁹电子伏特量级的能量，它也是恒星包括太阳的各种原子结构形成之源。而由不同原子通过化学键生成无机物，这需要原子之间的化学键能形成分子的稳定状态，其能量约为1个eV的量级，这相当于几千到上万度的高温。地球作为太阳抛撒出来的物质所构成，其早期正是从这一温度逐渐冷却的。不过以上都基本属于分岔过程而并无聚集过程，还谈不上是严格意义下的聚分演化。所以，这虽带来了物态的分离，如形成地球的不同矿物质，但这都只是演化生成了简单的无机物，而并不能创生出更为复杂的物质结构。不过，这也足以说明了地球矿物质的来源。显然，这并非单纯走向无序化的过程。

然而，随着表面的温度不断下降，地球演化到今天，就一直维持在太阳光芒之下的的常温状态，也是阳光辐射的主频率光为几个eV的情形之下。如今，地球环境温度约1/40eV，地球的公转尤其是自转会令地球表面有了周期性的温度变化——这一能量区间就十分有利于各种分子之间的结合，如蛋白质分子的肽键或氢键，从而实现了地球物质从无机物到有机物的聚分演化。事实上，正是地表温度的周期性导致了分岔和聚集演化不断交替进行，这才促成了有机物直到生命物质的形成。构成蛋白质的20种氨基酸就同步形成于前述地球水资源的物态分离。事实上，关于生命起源的1953年的Miller-Urey实验就说明了这一点。它通过模拟原始地球环境，包括温度的变化和闪电等环境刺激，而导致了包括氨基酸在内的各种生命所需的原初有机物的诞生。所以，聚分演化导致了生命现象。我在以后的博文中还要详细论证这当中并存的活力稳态和简并稳态。这里限于篇幅就无法细述了。

2.3 宏观的结构稳态和微观的量子翻转——聚分演化的两个基础概念

前两小节我主要是从两个步骤演化的内因，以及环境温度之随机因素的外因，这两个方面的因素的来粗略地分析了物质系统之聚分演化。为此，本小节中我要进而简单介绍结构稳态和量子翻转这两个体现了聚分演化的基础概念。在未来的博文中，我还要以这两个概念为基础，进而介绍的高温稳态、简并稳态、活力稳态等稳态概念，以及虚时演化、实时演化直到蛋白质的合成、折叠和降解过程的物理机制，等等。在本博文中我只是想先说明一点，如此物理的演化分析体现了我的思路与现有物理学分析的思维逻辑相比，是有所不同的。进而，以后博文所要讨论的内容就要涉及到具体的量子力学分析而很难做通俗的科普表述了。为此，为了照顾非物理专业人士理解我的演化思路，下面我要先通过两个比较通俗的例子，“砸锤子”和“翻烧饼”来说明以上结构稳态和量子翻转概念的具体含义。

先谈“砸锤子”这个例子。我的两个孩子都是男孩。男孩子小时候都有淘气的共性。大概2-3时都喜欢翻抽屉，把家里抽屉的东西全掏出来弄得满屋子一塌糊涂。到了十来岁时，他们又喜欢砸东西，把什么东西都要砸烂看看里面的结构组成。而他们要砸的东西中，电器则首当其中。家里的电器一旦坏旧就要被他们先拿去砸烂后，再当垃圾扔掉。还没用坏的电器如手机，两个孩子早就盼着我的手机何时以旧换新，他们好去砸烂以窥探当中的零部件构造。为此，我特意买了小改锥以图让他们用来拆卸：想了解一个系统的内部结构，要用工具一步一步地拆开，而不能简单粗暴地用锤子砸。但孩子哪能听我的？用小改锥折腾了10分钟就没耐心了。趁我一离开，孩子就把家伙搬到车库里抡锤子开砸了。显然，用锤子去砸烂一件东西效率才最高。用小改锥来一件一件地拆卸的话，小男孩哪有这个耐心？

我列举“抡锤子”这个例子是想说明，当今物理学家研究物质结构的思路，实际上和以上“砸锤子”的思路没什么两样：这属于要了解物质结构所能想到最简单粗暴的方法。我们既然看到了一切物质都是由分子构成的，分子有是原子构成的，原子又是原子核和电子构成的。那么，还要了解原子核的进一步结构，就要通过粒子“轰炸”原子核来实现，这就非常类似于“砸锤子”。但粒子“轰炸”的能量有限该怎么办？为此，就要制造出威力更强的“锤子”，即能量更高的粒子加速器，才可能让我们了解更为精细的物质结构。但如此“砸锤子”的心态也总要有个头，不可能更换越来越大的“锤子”无限轮下去。于是，物理学家又创生了夸克幽禁这个概念：作为物质最基本的单元之夸克，两个夸克离得越远相互作用力还越强，所以再强有力的“锤子”也无法观测到夸克。进而，越是早期的宇宙基本粒子的密度也越大相互作用也越强，这又如何来理解呢？为此，物理学又想象出在大爆炸宇宙时间起点之后，还有一个10^-44秒的Plank时间。在这个时间之前宇宙的结构是咋样我们就无法问了，这要取决于把引力场量子化。

为此，早年我还是一位大学生时，就想到了前述基本粒子的结构问题和宇宙大爆炸的奇点问题，作为物理学理论的终极问题，两者是否可能合二为一？即通过把基本粒子看做是大爆炸伊始形成的高温稳态结构来彻底解决以上疑难问题。这就体现了对我们宇宙结构认知的另一条思路，基于系统演化的思路。这当然并未否定以上“砸锤子”的思路，而是力图寻求宇宙在其演化的过程中，是否可能自发形成某些的稳态结构来避免以上夸克幽禁和Plank时间问题。事实上，宇宙在最早期的极端高温环境下为何就要形成各种基本粒子，这已被看做是最基本的假定。但我却对这个基本假定并不满意而是要做进一步的猜想——如此基本粒子是否可以看做是热力学意义下的稳态结构？这就不能从单一的能量参量来考虑，而是要考虑到到稳态结构来自系统的能量和熵值共同的竞争，即每个基本粒子都属于热力学的封闭系统。

事实上，所有基本粒子伴随着宇宙的演化，还会形成各种星系团、星系直到恒星的稳态结构。进而，到了我们地球的300K左右的环境温度下，又生成了生命结构。而且，目前在人造实验室的极低温的环境下，还形成超导超流以及具有鲁棒性的拓扑物态。这一切都说明了，在任何能量层次下，宇宙中的物质都有可能会生成相应的稳态结构。这样一来，我们是否可以尝试论证一下，在宇宙大爆炸的伊始，所有基本粒子就是极高温下的稳态产物呢？这样一来，前述不可能更换越来越大的“锤子”无限轮下去，而要形成所谓夸克幽禁的问题，就不存在了。进而，所谓宇宙大爆炸最初的10^-44秒的Plank时间也不存在了。但这也提出来了一个新问题：一个电子、一个质子怎么就会形成一个无穷大高温下的稳态结构，其无穷大高温状态为何是封闭的，而不会伴随着宇宙的大爆炸冷却下来呢？

要解释如此稳态结构形成的成因，就要建立起系统演化会自发形成封闭的稳态的思路，这与现今物理学通过“抡锤子”来探求物质结构的思路，就大不一样了。现今物理学的“抡锤子”的思路，实际上只有一个能量概念。这实际上是把物质世界的所有现象，都看做是由体现不同能量特性的四种相互作用力所决定的，并寻求通过构建一个统一的万有理论，就能描述一切物理学规律。这不但体现在对基本粒子结构的认知，如从量子场论开始到夸克模型，不同的能量强度几乎是决定相互作用形式的唯一因素。同时，这也体现在我们对宇宙的认知。如Guth的暴涨宇宙模型，在Plank时间之后，先是能量最强的强相互作用发生了分离，然后能量次之的电磁作用再发生分离，引力的作用只是在星系形成的过程中才能显现出来。

然而，我所理解的系统演化，就不能把能量和熵值这两个系统参量分开来考虑。事实上，物理学也早就有另一个独立与能量的关于熵值的观点，任何系统自发的演化一定会趋于熵值的极大化。所谓的“热寂说”在物理学家的脑中，也一直挥之不去。如果说能量在物理学家的眼里体现了相互作用力的强度，熵值则体现了时间箭头。系统的演化只能在时间箭头的指引下，走向代表熵值极大化的无序热运动状态。然而我却认为，能量和熵值这两个系统参量实际上处于某种竞争状态，宇宙的演化要体现出如此竞争且会形成各种稳态，即博文1所述的，系统演化要受到熵能判据的驱动。这样一来，宇宙的演化就体现为在不同的温度，即在不同的随机力作用下，物质世界会自发形成各种稳态结构。这种稳态结构并不等同于通常的平衡态结构。

关于稳态结构与平衡态结构的不同，我要多说几句。火上坐着一壶开水就是热平衡态结构，把这壶开水从火上移开，其水温就会逐渐冷却。地球绕太阳转动也属于平衡态结构，每年的公转周期会越转越缓慢，所以每隔几年要来一次闰秒。但是，宇宙早期形成的基本粒子就不是热平衡态结构，每个基本粒子的能量虽可高可低甚至衰变为其他粒子，但每个粒子都有一个基本的静止质量或能量，这个量并不会再变得更小。同样地，人体生命的结构也是如此。人体要保持37℃的体温，无论外部环境的温度如何。近几十年才发现的各种在极低温下形成结构也是稳态结构，如量子Hall效应的电阻平台性，以及文小刚所指出的Haldane相的对称性保护性，等等。这些不同的稳态结构，就都具有不依赖于环境温度的特点，即可以在一定程度上抵御外部环境的温度涨落。如此稳态是如何形成好保持的？我未来博文再讨论，这里只是提出这个概念。

进而，对于系统的稳态结构问题，有些稳态结构是非常稳定的，如由基本粒子构成的原子核，在常温下的热扰动根本无法撼动其稳定性。而有的稳态结构却很脆弱，如今人们在极低温环境下所构成物态结构就是如此。为此，对稳态结构的研究，我们就要转变我们以往研究问题的思路——我们以往研究物理问题的思路来自于人性逻辑思维，这通常都是不自觉地把我们从日常生活中的观察赋予到了科学精神之中。如传说中Newton看到苹果从树上掉下来才发现了万有引力，Einstein提出的相对论所强调的不能违反因果律，等等。然而，我们若要找到物质世界形成稳态结构的原因，就要突破以上人性逻辑，而是要从物质系统演化的内在逻辑出发来思考。这是个太庞大的问题，我会在本博文中再就具体问题谈我的思考。下面，我只谈谈我本人对厨师“翻烧饼”的生活观察——虽然这看似也是来自人性观察，但其思路却偏离了经典物理的描述，而形成了我的系统演化视角的最初起点。

当年我在中国科大读书每次进城到合肥市中心，往往就要在校外进餐，因而比学校食堂开销更大。所以，我会选择一家既廉价又实惠的餐馆。当年，我找到了一家厨房和堂食连接在一起的简陋烧饼店。这家烧饼店虽然简陋因而价格实惠，却让我近距离目睹了烧饼师傅的精彩表演。厨师在几个火炉同时煎着烧饼并且还要忙别的活，把烧饼在煎锅里翻边之“翻烧饼”的动作，就显得真漂亮：厨师把煎锅从火炉上取下，先用力一下沉让煎锅呈约45度角再抛出，整块烧饼在空中画出一条优美的弧线后再被煎锅兜住，整个过程一气呵成。后来，我暑假回家自己也学着着“翻烧饼”，但怎么也练出不如此绝技。不过，如此模仿过程却引发了我的物理学思考。以上厨师“翻烧饼”的绝技，实际上体现在经典物理的框架下让烧饼翻边所做的功——但如果这是量子行为呢？能否通过势垒贯穿而无能耗地翻边？这就联系到前述磁畴结构了。

事实上，只要是质量分布均匀的烧饼，其正反两面贴在煎锅上的物理能量就几乎完全相等。为此，如果考虑实施量子翻转，将烧饼从正面翻到反面岂不是就不需要做功，而随时可以翻边跳转？以上胡思乱想，就构成了我系统演化思路的出发点。再回到前述对磁畴结构问题的分析。铁磁体材料在高温退磁以后不再具有宏观磁性了，这是因为系统内部形成了磁畴和磁畴壁。然而，磁畴和磁畴壁的结构是怎样自发形成到没有宏观磁性的呢？如前所述，显然其原因就在于，磁畴和磁畴壁都在自发地“翻烧饼”调整磁畴结构。进而，为何铁磁体是如何自发调整其结构的？这要不同磁畴之间的“扭结能”变大，系统内部要不断做量子隧穿。显然，如此量子隧穿要把系统能耗降到最低，才能让系统的外磁场之能量全部消失，而转换为磁畴和磁畴壁的“扭结能”。

进而，电子为何会形成自旋磁矩？我们的地球为何会形成南北两极的地磁结构？为此，微观尺度下的电子结构和宏观尺度下的地球，这两者与一块普通铁磁体在高温下之所以会退磁，它们可能都具有相同的物理原因。电子之所以存在两个不同方向的自旋，其目的或许也是为了让外磁场呈现为零。后者我们的地球作为带电体，因为有自转当然会呈现出磁性，因而会存在地球磁性的N极和S极。那么，地球自身是否也具有这样自发的趋势，要让其磁性也和降温后的铁磁体一样而趋于没有磁性呢？我的回答是肯定的。地球磁极平均每隔50万年就要翻转一次，可以也都与以上量子隧穿的翻转具有有相同的物理图像。这样一来，我们的地球变暖问题，或许就是地球N极和S极翻转所致，如今全球做碳减排或许毫无必要。为此，从电子自旋、地球磁极翻转模型，再进而到蛋白质折叠等生物活力的解释，可能都联系着某种量子隧穿的翻转效应。这些我都要在未来的几篇博文里做详细的论证。

在本文的最后，我要特别说明一下，我为何要将物质世界演化的概念命名为聚分演化。事实上，若单纯从物理学的考虑，聚合这个概念用凝聚取代将显得更为合理，因为凝聚态物理成了当今物理学研究的主流。我早期也想用凝聚这个词。但后来发现，熵能判据还可应用于社会系统和经济系统，在社会系统中，我提出了婚姻圈模型。而经济系统则构架于复杂网络，用熵能判据在数学上可以很容易地证明，20年前人们提出的小世界网络实际上是无规模效益递增的Poisson分布，而无标度网络的本质来自规模效益递增会形成Pareto幂律分布。更关键的是，经济现象所呈现出的演化是与物质现象相反的，越是高温才越会呈现出聚分演化。这样一来，凝聚这用词就不太合适，因为这会让人联想到低温下的凝聚，用聚集代替凝聚才更显合理。