前文谈到了《物理学和质朴性》这本书，是对我的人生路产生了最大影响的一本书。而对我影响最大的物理学文章有两篇：一篇是之前博文4提到的郝柏林院士的那篇关于混沌的物理学综述文章，这让我选择了非平衡态统计物理学作为硕士研究方向。但对我影响还要大的多的文章，则是Anderson在1972年发表在Science杂志上的一篇短文：多即不同（More is Different）。这篇文章多次改变了我的人生道路选择，从早期提出地磁翻转模型并选择中科院物理所蒲富恪院士为我的博士生导师，到后来决定脱离学术界研究经济问题，再到十年前受到汤超教授提出的跷跷板模型的启发，我又走火入魔地化了很长时间再去研究生物学。这些都来自Anderson的这篇文章给我带来的后续思考。这些思考最终让我认为，物理学和经济学都需要重新建立分析框架。新的分析框架或许能找到真正理解生命现象和经济现象的突破口。

当今物理学理论是以时空和物质之间的相互作用为基础的。如此分析框架的缺陷是这不但没有充分考虑物理学规律的系统特性，更是忽略了时间演化性。当今物理学之理论分析会有利于实验的检验，但却不利于研究演化问题，因为无论是物质演化还是人类社会的演化，都是构架在时间演化缓慢的平台结构之上的。平台结构无论之在地球生物进化的植物动物分类上，还是在人类的经济交易行为之结构模式上，都有明显的体现。当今物理学并未发展起来以平台结构为基础的理论。虽然从凝聚态相变出发建立起来的Landau的对称性破缺理论，被Higgs推广到了粒子物理学以解释质量的起源，再由Guth发展形成了暴涨宇宙模型。但我认为，Landau破缺的本质来自平衡相变，其理论分析的基础无法解释要以非平衡演化出发的平台结构问题的。为此，本文要构建的平台结构是以Anderson破缺为基础的物理学分析框架，并力图从物理学原理出发对生命现象做出初步的解释。

进而，基于以上以系统演化的平台性理解能带来什么新的物理学结论呢？这当中最重要的一点就体现在，我们对物理科学基础的认知，不应是简单地提出某个模型或设计出某个实验，来给出对物质现象的物理理解。而是要从物质系统自身的演化出发，来理解形成平台结构的合理性。这样一来，物理学就不局限于构造出“知其然”的某种具有因果联系模型或理论，而是要力图全方位地形成“知其所以然”的物质运动之演化轨迹。当然，以上从平台性来理解物质演化还非常初步，我在本篇博文中还不可能形成完善的理论构想。为此，我可以写下来的，只是我这几十年来所形成的一些全新的概念，从聚分演化、活力稳态、临界慢化，再到对量子性和随机性的重新认知。进而，本文还将提出地球磁极翻转的元模型，以力图对全球变暖问题给出另类解释。这些都是为了解释生命现象而构建出以跷跷板为基础的物理学分析性框架的基础概念。为此，让我从物理学家已有的认知，三类对称性破缺谈起。

6.1 第三类对称性破缺Anderson破缺及其与其他对称性破缺之比较

Anderson的上述“多即不同”的文章影响力非常巨大，在前些年发表50周年之际，就此文还举办过纪念活动。但人们对此文的通常理解是：让体现还原论的“内涵(intensive)研究”和体现演生论的“外延(extensive)研究”并驾齐驱了。内涵研究探求的是物理学的基本定律，而外延研究则致力于按照已知的基本定律来解释现象。人们过去想当然地认为，前者属于更高级的研究：犹如设计出电脑的人和用电脑来编写程序的人，当然前者更牛。然而，Anderson却通过“多即不同”的物理现象举例说明了，外延性研究也并不低级：在某种意义上也能和内涵性研究一样具有全新的的物理内涵。这是因为物质的特性不完全取决于个体特性之内因，而是与系统的结构也密切相关。这或许就是当今大多数人对此文的理解。从而，似乎无人对Anderson在此文中提出的新的一类对称性破缺之含义做任何新的分析。

为此，当年我对Anderson的“多即不同”却有完全不一样的理解。我认为，此文所谈到的对称性破缺可能蕴含了很深刻的物理内容。为此，这篇文章被我复印下来，和前一篇博文谈到的Wheeler的《物理学和质朴性》之小册子一样，长期放在枕边令我不断思考。像我这样对此文阅读次数如此多的人，这个世界上可能没有第二个，因为此文不断触发了我不断形成新观点：经济学方面思考在博文1物理学与经济学的比较中，我已经谈了一些。以后的经济学博文中我还要续谈，这里我先谈谈我对“多即不同”这个概念本身的理解：Anderson此文的副标题是Broken Symmetry and the Nature of the Hierarchical Structure of Science。为此，Anderson提出的这个对称性破缺概念在历史上已是第三次，它与以往物理学家提出过两次对称性破缺的概念，有什么不一样的含义吗？

事实上，第一次对称性破缺就是博文2所谈到的，在1937年Landau就相变问题而提出的基于对称性破缺之物理理解。第二次对称性破缺则是中国人所熟悉的，李政道和杨振宁在1956年提出的弱相互作用下宇称不守恒之破缺，一年以后两人就荣获了诺贝尔奖。而Anderson在1972年再次提出以上“多即不同”概念，则属于第三次重提对称性破缺这个概念了。既然无人指出，Anderson的以上第三类对称性破缺概念有任何抄袭前人思想的嫌疑，这就说明了Anderson破缺理应具有某种不同于之前人们所提出的对称性破缺之新思想。为此，我一直感到纳闷：怎么这三类不同含义的对称性破缺，就没有人想到就其物理内涵做一番比较呢？为此，我个人在深入思考后认为，Anderson的思想体现了某种演化的含义，从而与我前一篇博文所述的量子态作为经典态和平衡态之间的演化中间状态之理解，是有联系的。为此，我在本小节要首先简单类比分析一下，以上三类对称性破缺的含义有何不同。

先谈第一类破缺，Landau提出的相变对称性破缺。在博文2的对聚分演化的分析中，我实际上已经把Landau对相变之对称性破缺的理解做了一定程度的修订。任何系统在演化过程中，通常并不会从单一的物态相变或演变成另一种单一物态，而是分岔成为各种不同基准能量的多种物态。这种分岔过程实际上是由熵能判据主导的：在聚分演化中，无论是物质系统分岔为各种不同相的物态，如水相变成各种不同物态结构的冰，还是聚合演化如低温下水蒸气会凝结为各种雪花，这些物理演变过程都要满足熵能系数的最大化。地球上之所以存在各种不同的矿物质，就是早期地球在高温下逐渐冷却之聚分演化的后果。进而，水资源大量覆盖了地球表面，原因也是因为地球的日夜四季的温度环境有利于水分子频繁地发生聚分演化。

所以，Landau对称性破缺的本质体现了熵能判据所驱动的系统演化，是具有某种热平衡态系统之可逆性的。例如，把水放入冰箱制成冰以后，再把制成的冰块再取出，它还会溶化又还原为水。尽管我之前博文已经指出，冰也会有不同的晶体结构，但总的说来，以上水和冰的相变过程，基本属于可逆的平衡相变，尽管重复这个过程的话，因为冷冻降温过程的不同，冰的结构可能有少许变化。这与我们人类生命体的演化和成长过程是不同的：孩子从胚胎长大以后，就绝不可能再逆生长变回到胚胎。所以，如果要把对称性破缺做分类的的话，Landau提出的相变对称性破缺是最简单的可逆破缺。然而，宇宙物质、生命系统和经济发展的演化，却都呈现出某种不可逆性。为此，物理学家目前实际上是用可逆的Landau破缺来描述基本粒子的Higgs机制以及Guth的暴涨宇宙模型等这些不可逆的过程。所以，这都可能是有问题的。

再谈李-杨提出的宇称对称性破缺。该破缺是特别针对基本粒子之弱核力作用的。但在我看来，弱核力作用可能是个伪命题。事实上，正如我在博文3所指出的，每一个基本粒子都可以看做是一个高温稳态系统，而弱核力作用的本质，在我看来应当属于某种隧穿效应：由于核力是极短程的相互作用力，包含了太多数目核子的原子核，就必然导致某些核子相距太远核力作用变弱，从而包含了太多核子的系统就会因为能量没有足够低而呈现出某种不稳定。为此，由高温稳态的粒子系统构成的核子就会劈裂，内部粒子会自发势垒隧穿而分岔成了若干个子粒子系统。尽管在高温高压的极端情形如宇宙极早期或天体内部，以上分岔也会是可逆的即形成聚集过程，但总的说来，如此核力作用下的隧穿效应与前述可逆的Landau破缺，如铁磁相变或固液相变还是有本质区别的。这与许多化学反应的本质也都一样，是不可逆的。如此不可逆性的物理本质，也是熵能判据所驱动的系统演化。

事实上，任何宇称不守恒的现象都并不存在某种固定的比例：假如β衰变中测到的衰变电子的宇称有一个确切的左右自旋比例，如56%比44%，那么，宇称不守恒这个概念就不会存在，人们定会去寻求其他具有确切比例的物理量来取代宇称概念。如之前博文5谈到的，在经济学中人们就会用风险比率的概念来取代不确定性。为此，我认为宇称这个概念在物理学中就只具有弱含义，而系统演化之熵能判据属于更强的物理学规律。为了满足熵能判据，宇称守恒这些弱规则就要被破坏，下文还要进一步分析。所以，宇称之对称性破缺问题尽管在科学史上引发人们巨大的震撼，但其物理意义本身是有限的。事实上，正如我之前博文反复提到的观点，个体在演化过程中要根据其个体所在的环境而选择服从何种规律。从而，宇称守恒作为弱规则，就会被演化过程的强规则而“冲淡”了。

事实上，弱核力作用下的宇称、空间反演、电荷共轭等守恒量问题，都如下共同的特点：有的情况下是守恒的，有的情况下才显示出不守恒。如对于量子纠缠现象，目前人们认为最早是由Wheeler教授提出的，并且也是由验证了宇称不守恒的物理学家吴健雄所验证的：在一对正电子素(positronium)的湮灭中，对两个光子偏振相关性的实验验证了量子纠缠。宇称显然在此也体现了守恒性。为此，既然在弱作用下宇称也可能完全是守恒的，为什么在某些情况下宇称会变得不守恒了呢？我猜测其原因来自熵能判据之驱动所致：系统的能量守恒和熵能系数最大化作为物理学的强规则主导了系统的演化。而弱核力作用涉及到不带电荷的中微子轻子，其质量非常小。如果这些弱规则的守恒性还要保持，就会降低系统的熵能系数。为此，为满足熵能系数最大化的要求，物理学规则就要“舍弃”弱核力作用下的弱规则，从而宇称、空间反演、电荷共轭等守恒性就无法保障了。

接下来，本文就要着重要分析第三类对称性破缺，Anderson所提出的对称性破缺问题了。先简述一下Anderson在“多即不同”一文中的举例。氨分子NH₃是没有电偶极矩的，这是因为氮N在由3个H原子构成的三角形平面上垂直地做高频率振动，这体现为其每秒约3X10¹⁰次的来回量子隧穿。为此，若把N换成磷P原子，虽然PH₃也没有电偶极矩，但由于P原子尺度比N大一倍，以上来回势垒隧穿的频率就小了一个数量级。进而，若氢原子被重得多的氟F原子所取代，该量子系统的势垒就很高，从而PF₃就不会具有任何隧穿效应，因而就会存在电偶极矩了。进而，除了势垒能量的增高，原子数量的增加也同样更复杂的分子，如约40个原子构成的糖分子就都处于同一螺旋方向（Anderson当年的用词是Spiral，但现代生物学用词是Chiral，手性），任何热扰动就都不会令其发生反转了。

以上举例就体现了由“多即不同”导致的对称性破缺之含义。这当中的“多”实际上有两重含义。一是能量的增加。对于势垒隧穿系统而言，势垒若很低系统就会发生隧穿，而呈现出量子态的来回穿越。但势垒提高导致隧穿失效，量子隧穿效应就会消除而仅有经典粒子或经典电磁效应了。第二重含义则体现系统个体数目的增加，就会体现了手性对称性一致的对称性破缺。进而，以上对称性破缺还联系着热扰动下稳定性，这说明了什么？这是不是联系着我在上一篇博文所提到的虚时转换和相位转换呢？为此，这正是Anderson的这篇文章引发了我极大兴趣的地方。在了解“多即不同”这个概念之后，我就开始反复琢磨，它与以上Landau破缺和李-杨破缺既有相同之处，也是有本质区别的。为此，我的思考体现在以下三点物理含义：

第一，Anderson所举例的量子隧穿之对称性破缺，和前述Landau的对称性破缺和李-杨的对称性机制，也都联系着系统的演化和熵能判据。Anderson所举例的量子隧穿例子意味着，以上电偶极矩的分子结构是一个中间存在势垒的量子双稳态结构，若势垒较低电偶极矩就不存在，只有势垒达到一定高度量子隧穿被阻，系统才会存在电偶极矩。这不仅是一个量子力学的结论，与我提出的演化驱动之熵能判据也是吻合的：任何系统的演化是否具有可逆性，这要取决于系统能量和的熵值而体现了两种“多即不同”：无论是能量导致势垒的增加，还是系统个体数目增多带来的更多熵值变化，都可能令量子隧穿受阻而令系统的对称性发生破缺。

第二，Anderson的对称性破缺图像与Landau对称性破缺的不同之处则体现在，这是一个稳态的结构。无论持续保持隧穿态还是没有了隧穿效应，Anderson的对称性破缺图像都体现了稳态的含义，只是前者为双稳态，而后者为单稳态。其具体体现就是，电偶极矩无论存在与否，该分子结构都呈现为稳定的结构，且具有一定的抗干扰能力。热扰动若未达到足够强度，都不会改变其电偶极矩存在与否的稳定性。而Landau对称性破缺之物理图像则仅仅只体现了热平衡态，而并不具有以上热扰动之稳态性的含义。如铁磁体的磁畴和磁畴壁结构，显然就很容易受到外磁场的作用而改变。铁磁性材料被磁化的程度与外加磁场的关系是简单的能量转换关系，即磁矩相互作用能可以完全转化为磁场能，这当中并未形成任何稳态结构。

第三， Anderson的对称性破缺之以上单稳态和双稳态的物理图像，也体现在与弱核力作用下的对称性破缺之不同。弱核力作用如β衰变只是体现了单向的原子核隧穿效应，其逆过程可能要在极高温如早期宇宙才会发生，这当中未体现出任何可逆性的特点。所以，原子核在β衰变的过程本身并非稳态结构，其温度通常要高于环境温度。这是一个缓慢的趋于平衡态的过程，只有在原子核β衰变彻底完成之后，衰变物质才会与环境形成热平衡。而在Anderson的NH₃的举例中，则体现了永不停息的量子隧穿，其本身则体现了某种独立于热力学环境的稳态。这也是量子系统才具有的特殊物理图像：这当中并不会出现运动能量的衰竭，从而具有永久的活力。这一幅具有活力的物理图像令我联系到了远离平衡的稳定。这是令我感到很震撼的地方。

所以，“多即不同”这篇文章首先让我想到的就是，这可能是通向解释生命现象之路——当年我学习耗散结构理论就感觉到，Prigogine教授一直想将其用于解释生命现象但都不成功，我在之前博文里谈到了，该理论分析的思路是开放系统而并非封闭系统可能是一个重要原因。在读了Anderson这篇文章以后，我又感觉，耗散结构理论没有考虑到以上量子效应或是另一个原因。进而，受过非平衡态统计物理学训练的我个人认为， Anderson以上对NH₃分子的描述，应当是体现在介乎于对称性和破缺性之间的某种量子演化态，可能才是非常有意义的。完全对称性破缺之后的状态反倒隧穿效应不显现，就只有经典态含义了。为此，地球的生态环境演化出如此多样性复杂性的原因何在？这当中的物理机制一定联系着对称性破缺，这是物理学家早有的观点。而Anderson破缺的意义，或许就体现在某种对称态和破缺态的交汇点处。

6.2 系统演化的平台特征：聚分演化、活力稳态和临界慢化

先简单回顾一下之前在博文5中，我已经谈到的物质演化跷跷板结构：熵能判据虽然会驱动系统演化到熵能系数最大化的经典态和平衡态这两个终极态，但这两个态之间还要发生相互转换，所以，这当中还必须存在演化中间态——量子态。进而，量子态作为物质演化之跷跷板的中点，它与经典态和平衡态之间存在两类转换，一是量子态与经典态之间的虚实转换，另一个则是从量子态与平衡态之间的相位转换。这些都是我在从大学毕业到硕士生期间，所建立起来的物质演化之物理图像。到了1990年代初，我准备考博士又读到了Anderson的这篇“多即不同”的文章之后，就进一步想到了Anderson所指的“多”所具有的两重含义，能量含义和个体数目含义，是否恰好也对应着以上虚实转换和相位转换呢？这样一来，或许就可在以上跷跷板结构的基础之上建立起新的物理学分析框架，这就有了平台概念。

当今物理学的分析框架实际上是建立在时间、空间和相互作用的基础之上的。人们所提出所有理论分析都要依赖于构建物质结构的时空尺度和相互作用形式，如此物理学分析方法，对于观测物质实验现象，然后再做出理论解释是很有效的：从基本粒子的结构，到凝聚态的理论再到天体物理和宇宙学，物理学家已把物质相互作用的形式划分成了4类，从强核力弱核力到电磁力再到引力作用，这4类相互作用横跨了不同的空间尺度，也呈现出了不同的相互作用力形式和强度。这也是前文提到的所谓还原论之“内涵研究”。但如此内涵研究也是有缺陷的。我认为其缺陷还并不完全体现在它没有涵盖到Anderson所指的“外延研究”（即演生论），而是还会体现在它无法给出恰当的系统描述——内涵研究并不能体现出对物质演化系统描述的平台分析。为此，我下面先解释一下平台的概念。

我之所以使用平台这个词汇，这来自数字电路，即提出信息熵概念的Shannon在他的的硕士论文中，就利用0和1的布尔代数来表示电子开关。数字电路就是当今电子和通信系统中最基础的平台。然后，在此基础上才产生了进一步的从汇编语言、操作系统平台，直至我们现在用的Facebook、微信、电子商务等最终用户平台。为此，对于宇宙物质从普遍物质到生命系统的演化过程，我们也可以有类似的物质演化之平台概念。宇宙物质最初的结构当然就是基本粒子平台。以此为基础会再形成我们地球物质的原子和分子结构平台、凝聚态物质平台。更具复杂性的平台则是生命现象平台：生命现象主要有两类基本的生物大分子结构，即核酸分子和蛋白质分子。核酸具有A、G、T、C等几种碱基所构成的遗传密码，而蛋白质分子则有20种基本的氨基酸。更高级的生命平台就是细胞了，然后就是各种生命器官的平台，等等。

以上平台概念本身当然是很基本的概念，谈不上有何新颖的思想观点。但从这个物质平台概念出发，却能启发出物理学理论分析的另一条思路：不同于以上相互作用的分析框架，我们似乎还可以形成以系统演化成平台为基础的物理学分析框架，其目标不是寻求对已有观测或实验现象做出理论解释。或者预言出某个实验结果，而是力图理解物质世界之演化迄今，为何会形成各种各样的平台结构之物理机制和原因。或者更加具体地说，这是要在知其然的基础上，寻求更为深入的知其所以然。为此，我所设想的物理学分析框架所关心的，并非各种物质具体的层次结构或功能（这是分子生物学家所关心的），而是物质平台结构形成的原因。这就与非平衡态统计物理学有关了。写到这里，我就有必要先回顾一下非平衡态统计物理学已有的的成果。让我先从远离平衡这个概念谈起。

耗散结构理论现在很少有人提及了，但我认为该理论所提出的远离平衡之稳定这个概念，还是很有价值的，只是人们没有就此寻找到恰当的演化案例而已。让我先讲一个小故事。当年我在硕士研究生期间学习非平衡态统计物理这门基础课程时，用的就是Prigogine教授撰写的《非平衡系统的自组织》这本教材，是漆安慎老师给我们讲授的。通常大学课堂里就很少有老师演示实验了，尤其是理论物理课程。但当时漆老师却罕见地在课堂上演示了耗散结构理论的一个典型实验，Belousov–Zhabotinsk（B-Z）反应：在透明的玻璃器皿中把两种化学溶液一混合，就呈现出了红色和蓝色两种颜色的交替出现。这个化学反应本身我就不多做介绍了，网上百科都有。然而，当年我们在台下的学生，却并未对这个实验表示出了对远离平衡之稳定性概念的认同，而是相反地却表达了质疑：该化学反应的确呈现出了两种颜色的振荡，但自组织结构的稳定性体现在哪里？因为如此颜色振荡很快就耗散掉而消失了。

可见，耗散结构理论还很不完善，它只提出了远离平衡这个概念，但缺乏对其稳定性的描述和论证。事实上，如果说任何生命现象都呈现出了远离平衡的话，那么，生命现象的本质是要呈现出稳定性为基础的。例如，我们人体在正常情况下会保持体温为37℃，这就是远离平衡之稳定性的典型例证。Prigogine教授在1945年证明的最小熵产生定理亦说明了，任何对平衡态之线性偏离都不可能是稳定的：犹如Hooke定律体现的拉伸的弹簧不能保持稳定，但在去掉外力之后，弹簧就一定会自发恢复到原初状态。为此，远离平衡这个概念的价值，必须以稳定性为其基础。但耗散结构理论认为，如此稳定性要依赖于非线性力并形成熵流和能量流才能维持。这个观点却是值得商榷的，因为人们既未找到简单的例证来支持这个观点，更没有建立起令人信服的理论分析，就具体案例来说明其正确性。

为此，正是有了以上知识背景，就让我对Anderson所描述的从氨分子NH₃之稳定发生振荡的量子行为而感到很惊奇，并认为这可能构成远离平衡问题的突破口。这具体体现在以下两点：首先，B-Z反应和NH₃分子，这两者都属于以量子力学为基础的双稳态，为何NH₃中的N原子之隧穿会呈现出永久的稳定性，而上述B-Z反应之稳定性却无法维持？其次，远离平衡的稳定是否应当与耗散结构理论所说的，非线性力或能量流熵流无关，而是要建立在以浪子力学为基础的平台结构之上？这两点正是我从系统演化视角来思考平台结构之后，才形成的想法。

事实上，我们不难分析出，以上B-Z化学振荡反应和NH₃中N氮原子量子势垒隧穿的区别。前者化学反应的各个步骤中分子的个体都相差很大，其化学反应的能量转换也一定很大，所以，能量就会耗散在不同分子能量的的传递和转换过程中，稳定性就难以维持了。从Lagrangian的最小作用量原理开始，我就对所有物理学规律有了以下直觉思维：物质的运动规律要呈现出最大限度的“经济化”，即能量的转换性在物质演化的过程中必须最小化。为此，NH₃中在3个氢原子平面中来回隧穿的N氮原子，呈现的是同一个原子在两不同的量子态之间的转换，而这两个量子态能量完全一样，其能量转换效率就非常高，从而才保障了其远离平衡的稳定。之前博文我分析的超导环流问题也是如此， Cooper对电子系统在虚时演化的熵值跃迁下，能量转换并无能耗才能稳定。而B-Z化学振荡之能量转换太大，才会伴随着能量耗散而逐渐衰退。

为此，将以上物理图像进一步推广，任何系统演化之远离平衡之稳定性的维持，可能就并不是耗散结构理论所强调的能量流和熵流以及非线性力的推动，而是要体现在系统中各种量子态自身的能量很高，而且不同量子态能量转换之耗散又要非常少，系统才能维持稳态运作。当然，期待其他物质系统内部不同量子态之能量和NH₃势垒隧穿一样，其隧穿前后的量子态能量要完全相等，这也是不现实的。若放宽一些要求的话，这就要体现在，一个系统中各个量子态的能量差都要小于其环境温度k_BT，这就能够保障这个量子系统之量子态可以顺利地相互跃迁。这就形成了以温度随机力为基础的平台结构，以解释远离平衡之地球生命现象。事实上，任何生命现象也都是要严格限定于特定温度环境之中的。为此，更广义地说，系统演化平台的概念就应当建立在量子演化性和温度随机性这两个基础之上。

进而，Anderson描述的势垒隧穿之振荡频率会随着势垒的增高而越来越慢，这又让我想到了Haken的协同学(Synergetics)。如果说Prigogine对非平衡态物理学的贡献是提出了近平衡态无法稳定，远离平衡态之稳定才是物理基础这一关键的思想，那么，Haken的贡献就体现在他对这种远离平衡的稳定性，给出了与Prigogine的思想完全不同的自组织描述：Haken对自组织的理解不同于耗散结构理论：他提出的Slaving Principle，中文可以翻译成隶属原理。但由于Haken的以上隶属原理并没有很严格的数学表达，也未发现除了分析激光问题以外，它还有什么其他应用，所以，协同学并未被列入当年我们在硕士研究生期间的基础课课程教学。不过，我后来还是自学到了协同学的基本思想。

1987年Haken到访北京并在中科院物理所做过一次协同学讲座。该讲座重点介绍的就是隶属原理，Haken还特别强调了慢变量才能主导系统演化，这一点让我很感兴趣，但当时听讲座时我也并未完全理解。在讲座结束之际我还特意去用结巴的英文询问了Haken关于快变量和慢变量的划分问题，但Haken教授当时的回答也没让我弄明白。后来，直到了1990年我硕士毕业后到湖南师大任教，偶然发现Haken写的《协同学》的著作已经翻译成了中文。我这才仔细读了他对激光问题的分析，并对隶属原理有了一点了解。

Haken的书中虽有不少数学分析，但却无任何具体方程式的推导，而是用了过多的基于他个人理解的文字描述来阐述其隶属原理，因而我觉得并不容易读懂。不过，其大致的思想我还是基本看明白了，隶属原理在本质上类似于Landau的相变理论，都要引入序参量。但描述系统演化之非平衡相变的序参量却与Landau引入的平衡态相变之序参量有所不同，要用多种含时变量来描述。在这些变量中，快速变化的变量会绝热地消除，而只有最慢变量最终会主导非平衡相变演化，这就是隶属原理。了解了Haken的这个观点之后，我又幸运地几乎同时读到了Anderson的多即不同这篇文章。这就令我产生了联想：Haken的隶属原理之慢变量主导，与Anderson描述的量子隧穿在势垒增高时变慢，两者似乎都与我前一篇博文谈及的从量子态到经典态的虚实转换有关：当描述系统的参量处于经典和量子之间的某个量子状态时，系统演化就会自发放缓而形成临界慢化，这个概念我后文还要再做更详尽的解释。

这就让我形成了系统演化平台结构的初步物理图像。从熵能判据来看，系统的活力能要增大，同时体现可能状态数的熵值也要被极度抬高，这才会有利于系统演化走向多样化和复杂化：这幅物理图像与我在前一篇博文5所述的经典态和量子态之间虚实转换概念，也是相吻合的。不过，虚实转换的含义是要覆盖在一定区间范围的，如Anderson的以上对称性破缺态PF₃就呈现为纯经典态而具有实时特性，并不属于虚实转换区间范围内了。但NH₃和PH₃却体现了具有对称性的、不同隧穿频率之量子态，这才属于虚实转换区间范围内。为此，系统演化平台的含义就并非处于整个虚实转换区间，而要体现为演化要趋于在该虚实转换区间中某个熵能系数最大化的状态。这该如何给出精确的物理描述呢？

为此，把前述远离平衡、最慢变量和虚时转换概念与熵能判据相结合，我就形成了以下活力稳态、聚分演化和临界慢化3个基础概念以描述生命系统演化平台。下面，我简略说明如下：

1）活力稳态这个概念是生命系统演化平台自发形成的基础。之前博文已经谈到，基本粒子属于极早期宇宙在大爆炸时形成的封闭系统下的高温稳态。在原子分子和凝聚态物质结构层次下，量子力学主导了系统演化，而Schrödinger方程之路径积分表述是完全等价于配分函数的，这就形成热平衡态。为此，从粒子层次的高温稳态到原子层次的热平衡态，它们就构成了宇宙演化的不同物质平台上的稳态，这些物质稳态都是熵能判据驱动的结果，尽管驱动的表现形式并不一样。进而，对于更高一级的描述生命平台的物质稳态，我就称其为活力稳态。它也是受熵能判据驱动的稳态。活力稳态这个用词来自我早年看到的一个教学录像，一条在液氮中冷冻的金鱼被取出放回鱼缸有重新恢复了活力。熵能判据中活力能的概念也同样来自于此。下面，我从宏观和微观两个角度简单分析一下，活力稳态与通常意义下的热平衡态相比有何不同。

首先，从博文1给出的熵能系数X = S - βE来看，聚分演化下的系统活力能E = ∑_k p_k (E_k - E₀)究竟要趋于最大化还是最小化，才能令熵能系数X最大？在非角点解，即温度因子β既非∞也非0的情况下，这就体现为系统的熵值和能量两者的竞争。这种竞争会呈现出两种趋势：一是系统的活力能在演化过程中要被尽量压低，即系统能量有趋于量子基态的趋势，这就体现为热平衡态。这与物理学的常规理解，能量越低的系统越稳定相吻合。但另一种可能性则是系统演化会趋于更大的活力能，活力能越大系统的可能状态数目也越多，系统的熵值也越大。为此，熵能系数X体现为熵值和能量差值的极大化，这个趋势也与系统演化要趋于复杂化和多样化之理解相吻合。为此，Anderson破缺所描述的隧穿现象就体现为后者：一方面为了实现隧穿，系统量子态的能量就要被抬高，另一方面，这也会令系统可能的状态数目更多，从而提高了系统的熵值。这就是活力稳态构成了远离平衡之稳定的宏观物理图像。

其次，从微观生化反应的角度来看，以上聚分演化的活力稳态之平台的形成，也依赖于我们地球所处的温度环境，而这一温度环境恰好对应着生命体之生化反应的能量尺度。这一点就与宇宙大爆炸之后其他层次的物质稳态之结构平台就显得很不一样了。在博文2中我已经谈到，高温稳态下的核力能量尺度为MeV量级，常温凝聚态物质在高温热平衡态下的化学键能尺度为1eV量级。而活力稳态所依赖的肽键和氢键等生化反应之能量尺度，则与地球环境的常温300K约1/40eV非常接近。所以，生命物质所处的温度环境也恰好催生了活力稳态。进而，聚分演化还不单纯体现在量子态与经典态之间的虚实转换所对应的以上活力稳态，量子态与平衡态之间的相位转化所对应的简并稳态，在细胞复制中也起到关键作用，后文我还要再做简略的分析。

2）再谈聚分演化这个概念。我认为这个概念应取代自组织而作为非平衡态演化的基础概念，因为它具有更确切的含义：基本的生化反应大多需要蛋白酶的催化而属于量子隧穿现象，外加环境温度之随机力的作用，就会形成前述活力稳态或简并稳态，两者都是生命现象的基石。在之前博文中我已多次提到，系统的能动构架体现为Fourier变换之后，就只剩下能量、动量、虚时和相位这几点特性了。在此基础上我提出了演化全同性的概念。在系统能动构架下，构成蛋白质的氨基酸分子，以及生物分子细胞间的能量差异，其能量都可能处在环境温度之热涨落区间的k_BT之内，从而就都可以被看做是全同个体而构成的系统整体量子态。作为量子态参与的生化反应，就体现为能动构架下的量子跃迁。进而，这些大分子在时空构架上若呈现为经典态，就会呈现出许多额外的物理特性，如电磁特性，蛋白质折叠呈现的功能，等等。所以，聚分演化就体现为经典和量子规律在虚实转换中交替起作用，从而构成了物质演化平台。

聚分演化平台形成的本质，就体现在以上活力稳态的自发形成（简并稳态的作用我以后再谈）。前文的例证已经说明了，纯量子态和纯经典态本身都并非聚分演化。如中微子振荡等纯量子叠加行为就并不构成非远离平衡的稳定，地球绕太阳公转作为纯经典态行为也缺乏演化的含义。聚分演化的本质要同时呈现出聚集和分岔两个演化过程。这在Anderson的势垒隧穿的3个例子，从NH₃到PH₃再到PF₃中，我们已经看出了端倪：其量子双向隧穿速度由快到慢，直到隧穿不过去而变成对称性破缺的经典态。以上分子结构若呈现出介乎于隧穿可通过和不能通过之交汇点的最慢隧穿，就会体现出系统能量和熵值都达到极大值的状态，这就自发形成了演化平台。然而，任何固有的生化反应，即便辅以某种催化酶的参与，它们往往也难以呈现出熵能系数最大化状态，所以，这就还需要某种外在随机力的驱动，从而体现为温度热涨落k_BT效应。量子性和随机性联合导致了最慢隧穿，这就构成了聚分演化下的平台图像。

正因为如此，越是复杂的生化反应才越可能符合熵能判据，从而越可能会呈现出聚分演化。以合成蛋白质的大分子生化反应为例， 20种不同的氨基酸的残基个体是如何有序地结合在一起的？这就是不断聚分演化的后果：不同的氨基酸残基聚集成为蛋白质大分子，蛋白质又要通过降解等化学反应再分岔成为氨基酸。如此不断聚集和分岔的过程，在博文2中我已经分析了，会形成覆盖在地球表面丰富的水资源。同样地，也是这样的循环反复的聚集分岔过程，也导致了生化反应之活力稳态平台，而生成了各种复杂生物分子，包括蛋白质。其物理基础就是熵能判据：氨基酸残基在热运动之随机驱动和各种酶的有序驱动下，实际上呈现为最慢隧穿过程下的聚分演化。这幅最慢隧穿的物理图像也是与Haken的隶属原理相吻合的。

3）为描述以上聚分演化下的生命系统平台，我还引入了一个基于时间演化的概念，临界慢化。这来自聚分演化要划分为聚集和分岔两个过程。分岔过程涉及到养分物质被生命体吸收分解的生化过程，这当中并不涉及到时间的慢化但却具有某种生物排异功能，甚至手性之对称性破缺也与分岔过程有关，下文就要谈到。然而，聚集过程，即分子生物学中心法所描述的从DNA→RNA→蛋白质的生成过程，却呈现出了明显的慢化现象。博文2提到的著名的Miller-Urey实验就体现出了这一点。该实验把地球早期的水、甲烷、氨等分子在模拟其气候环境下实验一周以后，虽然观测到了可生成出构成蛋白质原料的多种氨基酸、糖类脂肪等基础的生命物质。但DNA或RNA这些核酸结构并未出现，就更谈不上合成蛋白质了。这说明生命物质的合成与降解过程截然不同。前者一定会出现慢化现象。这也与近期生物学研究的观点，进化缓慢的生物才是物竞天择的赢家相吻合，类似于精雕出细活。

然而，从物理上来理解，这可能说明了量子态的演化要存在不同的时间概念，聚集和分岔两个过程体现了不同的时间性。对时间这个概念，物理学家或许要重新认识。Hawking在其著名的《时间简史》一书中有两个章节标题都谈到了时间，一是时间和空间，二是熵与时间箭头。前者为微分动力学意义下的经典时间概念，它只有基于空间运动的时序性含义。而后者则为基于熵所定义的时间，就有了不可逆性的箭头含义，意味着时间的演变不可倒流。为此，这两个时间概念分别联系着经典态和热平衡态，却并未联系着系统演化。当今物理学联系演化的概念只有自由能，Landau破缺用来描述物态相变时，就是以自由能极小作为分析的出发点。然而，在博文1中我就已经指出，热力学自由能与我提出的活力能，两者不是一个概念：前述活力稳态之物理图像要联系着聚分演化。这似乎不能从等价于熵能判据的自由能出发，而必须从时间演化出发来分析，因为量子态的作为演化过程是偏离了熵能判据的，前文已述。

为此，我才想到了另外一个联系着演化的时间概念，临界慢化。下面，我简单地给出它的一个数学描述。这个概念原本来自连续相变系统，后来郝柏林院士将其引入到倍周期分岔演化系统，参见他发表在Phys. Lett. 86A(1981)267的一篇短文。仍以我在博文4给出的演化迭代方程y_n+1=μy_n(1-y_n)为例。在参数μ小于3时，该迭代方程逼近稳定的不动点1 - μ^-1，其Lyapunov指数虽小于0，但在μ非常接近于3时就会趋于0。这就说明了演化过程发生了临界慢化：迭代会在不动点左右摇摆，趋于不动点的速度变缓，其临界指数为1/2与平均场理论一致。以上演化迭代方程的临界慢化现象，与前述活力稳态之演化平台的最慢隧穿现象，显然具有可比性。这体现在以下两点：

A）迭代方程与演化平台两者都趋于某个极值点。迭代方程趋于不动点，而演化平台趋于熵能系数最大化的状态。临界慢化导致了迭代值会逼近不动点，但却只能永久地在不动点附近摇摆。同样地，熵能系数最大化的状态也无法触及，生命现象真实的演化平台也呈现为不断地发生聚分演化，正是所有生化反应都环绕着熵能系数极值点左右摇摆，这才是平台形成的基础。

B）迭代方程与演化平台本身又处于某种稳态。倍周期分岔迭代方程的稳态，是以Lyapunov指数小于0，迭代值依然逼近不动点而呈现出来。演化平台的稳定性则体现为系统保持着不断左右隧穿的活力稳态，而且隧穿的速度在活力能和熵值以及熵能系数最大处，要尽量缓慢。可见，一个是描述虫口数目的生态模型，另一个活力稳态下的演化平台，两者在系统结构上却有相当的可比性。这当中是否有物理本质上的联系呢？这正是我下文要做仔细分析的。

顺便多说几句。以上对生命现象的描述实际上也给我们带来如下疑问：生命演化有左右手性对称性破缺的问题，在宇宙演化上也存在物质和反物质的不对称性问题。这实际上是一个物理学的根本问题，涉及到对称性破缺的起源。对此，人们早就认为，这可能与时间概念有联系。早年Wheeler和他的学生Feynman就都把反物质理解为某种时间反演下的正物质。但是，似乎无人将其与Anderson破缺联系在一起——“多即不同”是否导致了时间演化的破缺？我认为，Anderson破缺或许会是另一条解决对称性破缺的思路，这不仅体现在生命现象，或许对宇宙物质的对称性破缺也会有所启发。但我对此仅有物理上的类比，而并无物理机制上的深入分析。

6.3 生命现象元模型的量子力学基础及其对恒温和活力特性的解释

前文已经给出了活力稳态、聚分演化和临界慢化来解释生命现象的演化平台这三个的特征，但我只是勾画出了大概的物理图像，而并无深入讨论。任何物理思想要被人们接受，还需要在以上描述而给出一个可解的、且能被人们普遍认可的元模型。为此，我将在下一小节提出一个元模型：地磁翻转模型，这虽然是一个描述地球磁性的模型，但我觉得它与生命演化平台有相同的物理基础。或许博友读到这里会感到很茫然，我的以上陈述逻辑跳跃太大。为此，在具体分析和论证这个以上模型之前，在本小节我要先做一些铺垫陈述。首先我要解释一下什么是物理元模型。然后，我再续谈为解释生命演化平台，所建立的元模型需要考虑的物理基础是量子力学，并且该模型力图解释的是生命现象之恒温性和活力性。为此，要体现出以上元模型的物理考虑非常困难，而地磁翻转模型却兼有却兼有以上特性，这就是下一小节要分析的内容了。

我先解释一下自己提出的物理元模型这个概念。这是指任何新理论的提出要被人们所接受，就一定要给出一个有典型意义、简洁易懂且最好有严格解的模型，我称之为元模型。例如，Newton创建的经典力学理论之所以被认为是奠定了物理学和天文学的基础，其关键原因就是地球绕太阳的公转模型给出了与Kepler三定律极度吻合的椭圆轨道结果。再例如，Schrödinger方程给出了氢原子模型的严格解以后，量子力学终于被人们迅速接受。而反例则是Einstein的相对论作为对Maxswell方程之协变性论证，虽然在理论上非常优美，但却一直缺乏一个具有说服力的模型。这导致了相对论长期未被学界接受，以至于诺奖1921年颁发给Einstein要归因于光电效应，而Einstein在颁奖仪式上的讲演却又在大谈相对论。为此，直到Dirac在1928年利用相对论协变性给出了电子模型之后，相对论才得到了普遍的认同。可见，对于任何新理论的提出，构造出一个具有典型意义的元模型，是具有核心意义的。

为此，在1990年代初，为了构建对生命现象的物理理解，我首先想到的就是要构建出一个具有实际意义的元模型。这个元模型要说明两点：首先，以往非平衡态物理学从经典的非线性和随机性出发，来研究非平衡态问题或许并不正确。我们要从基于量子力学的生物演化平台出发，来重新分析生命系统随时间演化的问题。其次，该元模型还力图实现前一小节谈到的3个目的：第一就是用基于量子隧穿的活力稳态概念来取代以往非平衡态统计中远离平衡之稳定的概念，从而解释生命体的温度稳定性，生命体为何会呈现出与环境不同的温度。二是要对生命体聚分演化平台性作出描述，以解释生命活力形成的物理本质。第三个目的这是要理解生命演化过程中的临界慢化现象，或者说元模型要反映出物理学对时间概念的新认知。下面，既然体现系统演化的元模型是以量子力学为基础的，我就要先从最基本的问题，量子态和经典态的差异谈起。

先简述一下当今非平衡态物理的研究思路。无论是耗散结构理论还是协同学，它们都还只是走到了最初级的一步，那就是力图解释远离平衡的稳定性。前文已经谈到，耗散结构理论是从熵流能量流与非线性出发，协同学则是从隶属原理出发来理解远离平衡的自组织，但都并未得到被普遍认同的结果。为此，到了我读硕士的1980年代，人们就开始关注双稳态或多稳态问题，认为某种稳态失稳而分岔为多种稳态，可能是形成远离平衡之稳定性的突破口。我的硕士论文就是研究从单稳态失稳到混沌形成的道路问题。我的师兄杨国健的方向则为光学双稳态。我们的导师胡岗教授当年的许多论文都涉及到双稳态的首穿时间(mean first-passage time)问题。在1980-90年代，PRL上发表论文最多的中国学者大概就是胡老师。记得在北师大当年的校报有一个名师访谈采访胡老师，胡老师谈及他正在做的稳态的演化与跃迁的问题就是最前沿的研究。后来胡老师还写了一本专著《随机力与非线性系统》，则把物理学研究方向分为三个层次，微观、宏观和随机层次。并认为随机力与非线性的推动，是非平衡态结构形成的关键因素。

以上物质演化的最基本推动力来自随机力和非线性的观点，是符合人们对宇宙物质演化之基本想象力的。进而，就其研究方法而言，所有非平衡态物理的分析也都是从经典物理的微观相互作用出发，来探讨物质演化规律的。这与从四种相互作用力来分析各个层次的物质结构的主流物理学思想相比，在本质上也没有什么两样。只是非平衡态物理学所考虑的只是单纯的经典行为，在量子力学早已成为物理学基础的今天，这个观点才显得有点过时和落伍。另外，2000年后，小世界网络和无标度网络造就了复杂网络概念的兴起，非平衡态物理学的学者后来有不少都转移研究方向到复杂系统上了，这就与我在本博客系列的系统演化思路比较接近了。但复杂网络系统与物理学的时空构架和能动构架关系不大，倒是与经济系统关联紧密，我会在未来的经济学博客中再谈。总之，我认为非平衡态统计物理思路的出发点还停留在经典物理，这是有问题的。所以，在1990年代我设想的是要把系统演化分析的分析基础转移到量子力学上来。

先粗略比较一下量子态和经典态。博文5谈到了我对延迟选择和量子擦除实验中对光子运动的理解：若光子只能沿着唯一的路径运动，它就呈现为经典态。否则的话，只要有多条路径选择，光子就会呈现为量子叠加态。形成量子叠加态才是每个光子更加优先的选择。如此选择原则也可应用到其他粒子或原子分子。例如，电子运动若只有一条路径可选择，其运动也只可能呈现为经典态。如云室中捕获的宇宙线中电子在磁场下的运动轨迹，就完全符合Lorentz力作用下的经典带电粒子圆弧线。自由电子激光和同步辐射装置中的电子，则也会发出电磁波辐射而满足经典的Maxwell方程组。如此经典运动亦属于实时下的时序运动。但是，原子核外的电子在受到Coulomb力的作用，以及凝聚态中的电子被束缚在具有边界能的势阱之中时，电子的运动就受到了空间的约束，而具有了多条路径的选择。这就分别会形成原子中电子的能级或者统计意义下的Fermi填充。为此，电子就要服从量子力学规律，而演变成虚时下的量子态了。

这样一来，对电子或者其他任何大分子的运动，我们就可以这样来理解：无势阱束缚的自由粒子运动，就会呈现为经典运动规律而具有实时性。但在势阱束缚下，这些粒子则会满足量子力学规律而具有虚时性。这也完全体现了我之前在博文5所述的量子态和经典态之间的虚实转换：环境设置会导致系统选择不同的规律。然而，物质粒子和光子的情形还不太一样。光子总是以光速运动的，其能量状态的变化似乎总要联系着该光子被物质吸收以及再发射的过程，光子同时也是量子能量的载体。而其他物质粒子则是因为某种相互作用力被约束在某个空间范围内，才呈现出量子特性的。这就带来以下问题：服从经典运动规律的是否只能是自由粒子，而束缚态粒子就一定要呈现为量子行为？情况也并非如此简单。因为在束缚态的边界势阱之内，可能还会“鼓出”一个势垒：这就会让粒子的运动既非完全服从经典规律，也非完全服从量子规律。从而会在虚时转换中形成两种不同的量子状态：量子定态和基于隧穿的活力稳态。

接下来，就可以谈我对以上两种量子状态，量子定态和活力稳态之含义不同的理解了。对单纯的虚时演化系统，含时Schrödinger方程可以把时间变量分离出来，从而形成各种量子力学的定态解。为此，我把如此定态解的集合及其量子叠加态统称为为量子定态，如原子中核外电子的不同能级态，固体中原子束缚在谐振子中的能级态，以及它们的量子叠加态，等等。量子定态也是在当今物理学中对量子态的通常理解。至于活力稳态中的稳态含义，在之前博文4中介绍超导的蚂蚁模型时，我就已经谈到了我对Cooper对的Lyapunov稳定性理解，但该分析是建立在能动构架的虚时系统上的，也是平衡态基础之上的。本小节我特指的活力稳态是以量子隧穿为基础的，其含义是介于经典态和量子态之间的虚实转换态。更具体地说，这就是Anderson破缺所描述的量子势垒隧穿态。为此，先不细谈这当中的数学分析，活力稳态和量子定态在物理图像上，究竟有何实质性的差别呢？

量子定态属于我之前在博文5描述的虚时演化系统下的量子态。其重要特征体现在，虚时系统中不同量子态之间的跃迁是不需要弛豫时间的——如此跃迁的含义只是体现为从初态到终态的跃迁。尽管也有物理学教科书会用所谓测不准关系ΔEΔt～ћ来估算能级差ΔE所对应的跃迁时间就是Δt。但是，我的物理直觉认为，如此估算并不靠谱。事实上，在上一篇博文5中分析延迟选择实验时我已经说明了，任何对虚时演化系统的测量行为都属于Markov过程，量子测量的结果取决于被测量对象的瞬间响应。所以，我更倾向于认为，所有对量子态测量时对应的虚实转换下的波包塌缩，甚至在温度驱动下的原子或分子中的电子在不同能级之间的跃迁发光行为，这些都类似于延迟选择实验中的虚时演化，其过程并不存在任何弛豫时间：量子跃迁所导致的量子终态之形成，以及量子统计下平衡态的实现，与波包塌缩而发出一个光子一样，这些都属于瞬间完成的Markov过程。

但是，活力稳态的情形就不一样了，前文已多次说明NH₃中N离子的振荡频率为3X10¹⁰/秒，在PH₃中由于P分子比N重了一倍，振荡频率就小了一个数量级。进而，若换为PF₃则系统就发生对称性破缺，因而就没有势垒隧穿的振荡了，这相当于振荡频率降到了零，因而隧穿时间为无穷大。为此，活力稳态的本质虽为量子行为，但在时间特征上反倒呈现出了类似于经典态的实时性，而与前述量子定态完全不一样。虚时演化系统中量子定态所服从的，是能动构架下的系统运动规律。而以上活力稳态作为势垒隧穿，虽然也处于势阱约束的演化环境，但由于势垒的存在，它却还呈现出了时空构架下经典粒子的某种动力系统特性。当然，活力稳态的形成也要取决于势垒能量和量子态能量的相对高度，若势能高度很低，其量子力学行为就会表现得与势阱中的量子定态无差别。量子定态也可以理解为隧穿振荡频率趋于无穷大的极限情况。

这样一来，考虑到我在博文5提出的跷跷板结构，量子态作为跷跷板的中心点就体现为量子定态，而经典态作为跷跷板的一端，它与量子定态要通过虚实转换来衔接。活力稳态就体现为虚实转换处介乎于经典态和量子态之中间状态的某种稳态。进而，我还谈到了量子定态与热平衡态之间的相位转换，之前博文4分析的简并稳态则呈现为量子定态与平衡态之间的稳态。为此，活力稳态和简并稳态就可以看做是跷跷板演化结构下的两种不同的稳态了。对于简并稳态，我认为它与细胞的生命现象有关，且与现有物理学的量子纠缠、拓扑物态等概念有等同性，在下一篇博文我还要再继续分析。下面，我要着重分析的元模型问题则仅限于活力稳态的。我之所以要从活力稳态出发构建出一个元模型，其目的是要解释生命现象远离平衡的温度稳定性以及生命活力的物理机制。以下就是活力稳态和聚分演化这两个概念的要点。

1）活力稳态——远离平衡的稳定和演化平台的恒温性

我读到Anderson对NH₃的描述给我带来的惊奇就是，这让我对双稳态问题有了完全不同于经典物理的理解。我意识到了以往从经典的非线性力和随机力出发的双稳态理解，很可能是不对的。但从量子力学的角度来理解的话，就要形成前述两种不同物态的概念：热平衡态或量子定态属于一类物态，它们要通过热接触而保持温度一致，而活力稳态作为远离平衡的稳态（还包括简并稳态，下一篇博文再分析）则会形成与环境温度不一致的另类稳态。这也体现了我早有的观点，温度是系统的内禀参量。以上概念很重要，意味着生命现象之演化平台必然具有特殊的温度性。为此，为了建立起元模型的量子物理图像，我有必要再对量子定态和活力稳态这两个概念，给出尽量详尽的类比和说明如下。

先谈量子定态。这属于约束在某个量子势阱下的单粒子或多粒子运动，它与前述共享空态的多粒子的Fermi或Bose统计下的热平衡态，两者在本质上都可以被看做是粒子约束在某个势阱内部的隧穿运动。统计平衡态的粒子也是通过被空态的吸收和发射，从而形成的势阱隧穿。以上物理图像显示，物质粒子若不再“自由”了，就会摆脱受外力驱动的经典物理规律，而改为服从量子力学规律。在原子中的电子，其不同能量态都要满足Schrödinger方程的量子定态解，这幅物理图像从路径积分表述来看，就是不同的电子定态构成了环绕原子核运动的最终电子叠加态：所有电子都在不断地做势阱隧穿，这当中既有从低能级到高能级的吸收能之跃迁，也有从高能级到低能级的释放能量跃迁——同一系统之中大量的量子态就构成了虚时演化过程。在虚时演化下，量子定态就会与外部环境达到热平衡。因此，量子定态之全同演化性的物理图像，实际上链接着热力学统计平衡态，而不是微分动力系统驱动下的经典态。

再做更深入一些的讨论。若从熵能判据下的能量集合{E₀, E₁, E₂,…, E_n}出发来考虑，无论是存在空态|0>的、也就是基态能量为零的量子统计的热力学系统，还是基态能量E₀可能不为0的量子定态系统，若不考虑能态密度ρ(ε)会随ε发生指数增长的特殊情况（其中ε=E-E₀。顺便多说一句，下文马上就要谈到蛋白质折叠可能接近如此特殊情况）。在通常情况下，ρ(ε)与ε为幂律关系。这样一来，无论是热平衡态或量子定态，其能量ε占据几率ρ(ε)exp(-βε)在温度T→0或β→∞时，它们都应趋于ε=0的量子统计态，或者说基态E₀。系统活力能E = ∑_k p_k (E_k - E₀)在此刻也会趋于零。这意味着对于通常的量子定态或统计平衡态，它们都不大可能是活力能很高的系统，而且在温度T→0或β→∞时，量子基态才会是系统最稳定的状态。为此，在前一小节所述的系统之熵值和能量两者的竞争所呈现出的两种形式中，量子定态在演化过程中会让系统的活力能被尽量压低，其稳定性实际上就体现了系统会趋于热平衡态。

再谈活力稳态。活力稳态和量子定态在本质上虽然都属于势阱隧穿，但形成活力稳态的势阱内部既然“鼓出”一个或多个量子势垒，其微观物理图像就不同于上述量子定态。NH₃中的氮N原子既然要在三个H原子平面上来回做隧穿振荡，那么，我们是否可以设想，用一个“镊子”捏住这个N原子，然后将其静止地放在H原子平面的某一边，这个氮N原子会不会因为能量很低就不做隧穿，从而让NH₃呈现出电偶极矩呢？显然不会。N原子一定要从环境温度的随机力中获取能量并再做振荡隧穿运动。进而，对于已经处于对称性破缺态的PF₃，P原子并不会做隧穿振荡。但如果我们用一把“锤子”敲击一下P原子让其动能增高，这会不会导致PF₃要和NH₃一样振荡而丧失其电偶极矩呢？应当也不会。P原子一定会将其能量释放给环境，从而依旧保持电偶极矩。以上描述似乎说明了，Anderson描述的量子隧穿的对称态和具有电偶极矩的经典破缺态似乎都具有某种稳定性。

进而，系统自发演化到最稳定的状态，应当并不是隧穿频率很高或者隧穿透不过去的状态，而是介乎于以上两者之间的临界慢化状态，即活力能量和熵值均很大的熵能系数也最大的状态，这种状态正是活力稳态。为此，熵能判据驱动系统演化形成的活力稳态会横跨在量子态和经典态之间，而形成某种稳定的平台结构，这就是我所想象的活力稳态和演化平台的物理图像。如此演化平台就具有了远离平衡之稳定性特点——无论给系统增加或降低能量，系统都会自发恢复到稳态，这不仅与通常意义的量子定态并不一样，也不同于其他量子态或平衡态。熵能判据导致了这个平台结构的稳定性，就体现了生命演化的本质：所有生化反应都具有了方向性以自发趋于这个演化平台结构。或许，这就体现在蛋白质合成的分子生物学中心法则之生化过程。

这个演化平台当然也不同于以往物理学讨论的相变态。在之前的博文2中我早已说明了，描述顺磁性-铁磁性相变的Landau破缺并不会带来稳态结构。尽管Landau破缺之描述所依据的自由能最小原理与我给出的熵能判据的表述完全等价，但从演化后果来看，铁磁体在Curie点温度退磁以后，所形成的磁畴结构就并非稳态。外加磁场的磁化就会轻易地令磁畴结构消失，而将铁磁体内部的原子的磁矩相互作用能转化为系统外部的磁场能。这就明显不同于以上演化平台之稳定性。为此，以上演化平台结构之稳定性的意义可能是非凡的：它正是非平衡态物理学所追求的远离平衡态的稳定性，并联系着自组织结构的形成。

为了进而说明演化平台的稳定性，我不妨用熟知的弹簧之Hooke定律来说明活力稳态和量子定态的差异。量子定态关联着热平衡态，它就等价于一根已经处于固有长度最短的拉伸弹簧。在绝对零度下系统要处于量子基态，但在温度增高之后，弹簧就会被随机力拉长而达成新的热力学平衡。如此物理图像符合Prigogine的最小熵产生定理，任何热力学系统都不会自发地形成远离平衡态的稳定。而活力稳态则更像一根可压缩同时也可拉升的双向弹簧。环境温度作为随机外力的作用，无论是压缩还是拉伸这根弹簧，都不会破坏其稳定性。即便环境温度下降到了绝对零度，活力稳态之能量虽也可能会下降，但一定不会触底到弹簧长度最低处。进而，温度增高就意味着环境随机力的增大，活力稳态也有要自发恢复到其固有长度的趋势。这幅弹簧的物理图像就体现了，之前在液氮中取出的金鱼会立即回复活力，可能就来自以上双向稳定性。

为此，生命现象的远离环境之温度稳定性，是否就等价于以上双向弹簧呢？事实上，所有生命体自身的温度与其生存周边自然环境温度是有差异的。任何植物都呈现出了冬暖夏凉的特性。如夏天大树下面好乘凉，在一个无保温的木棚子下面乘凉，当然就不会比树荫下的效果好。在冬天死亡的树枝就很容易结冰被掰断，而露天的活树枝就明显感觉温度高一些，既不容易结冰也不容易掰断。人体和动物的恒温性则更强，正常人体要保持在37℃而猪会高一度为38℃。细菌和病毒的差别是后者病毒需要宿主细胞，维持一定的温度才是病毒可以繁衍的必要条件。生命体到了细胞层次就更加需要有温度依赖性了。为此，所有生命体的物理基础就不会是普通的量子定态，而必须是活力稳态所实现的远离平衡。为此，我们要构造的元模型，首先就要反映出量子活力稳态，以解释演化平台之系统的温度稳定性。

2）聚分演化——演化平台的熵能系数最大化和演化虚时稳定性

有了前述演化平台系统温度之稳定性的描述，一个立即就会被提出的问题就是，如此远离平衡的稳态在实际物态的演化过程中，是如何实现的。这不得不谈到两个事件对我的启发：一是前文已谈到的液氮中冷冻的金鱼放入水中会很快复活，另一个例子则是我孩提时代老师给我们小学生讲的趣事：中国科学家人工合成牛胰岛素之前很多次都不成功，最后成功的标志是将人工合成物注射到小白鼠体内，小白鼠会发出尖叫就成功了，这说明了人工合成物也具有了生命活力。为此，这两件事实际上说明了两个关于生命活力的特性。一是活力能的概念，生命体的热力学状态一定不同于普通的热力学平衡态，它一定处于高于平衡态的某种稳态。二是，如此生命活力一定联系着某种物质结构。人工合成的牛胰岛素只要与天然的牛胰岛素在结构上稍有差异，就没有生命活力。

为此，以上两点就给出了很合理的推论：生命活力就应当来自生物大分子的某种特殊结构。进而，这两点推论也带来了两个问题。第一个问题是，具有生命活力的生物大分子的结构有什么特点，其特殊性究竟在哪里，才会导致了具有生命活力？以上小白鼠实验显然说明了，人工合成的胰岛素哪怕是偏差了一点点，都不会具有生命活力的。第二个问题是，从演化平台的角度来看，地球上生命体的存在，总是经历了从无到有的过程。活力稳态显然来自熵能判据驱动的后果。但这当中究竟是如何驱动的，其物理过程是什么？熵能判据导致了经典运动要用微分动力系统来描述，热平衡态要用量子统计来描述，而如此能量更高的活力能是如何演化生成的，又该用怎样的量子过程来描述？这显然是构建生命系统元模型的重要基础。

为此，基本没有受过生物学训练的我，在读完了Anderson的这篇“多即不同”的文章以后，马上就想到了一方面去恶补生物学知识，另一方面则去找了不少人工合成胰岛素的生物文献，以及当年参与合成胰岛素的研究人员回忆文章来阅读。这当中，两个描述人工合成研究工作的细节引起了我的注意。一个细节谈到，人工合成把不同氨基酸残基对接在一起时很容易被接反。在分别合成胰岛素的两个肽链A链和B链时，都遇到了同样的问题。这就表明了，从非平衡态演化的角度来看，整个胰岛素的分子结构合成是自组织行为，而并非简单人工堆砌的组织行为。另外一个细节是，胰岛素是两条肽链链接而成的中间还需要用用硫元素分子链接起来，只要有任何一个分子链接不对就没有生物活力。而最终所有分子都链接正确具有生命活力的胰岛素，却被发现冷冻后在显微镜下居然自发蜷曲成一团，这居然和从牛身体里提取的胰岛素完全一样。

恶补了一些生物学知识后就让我想到了，涉及到生命现象的物理基础应当分为3大关键问题。第1个问题是生命现象为何会处于远离平衡的稳态，这可能来自蛋白质的折叠带来的生命活力，其物理本质原因就来自以上远离热平衡态的活力稳态。第2个问题则是演化生成的过程问题。为何人工合成的蛋白质就很容易被接反？用非平衡态物理的语言来说，生命体自发形成的蛋白质应当属于自组织行为，这才是形成具有最大活力的结构之物理原因，是系统要趋于熵能系数最大化的后果。为此，活力稳态就应当体现为熵能判据驱动的方向。第3个问题是时间演化问题，这就更复杂同时也重要了，属于生命现象的演化过程问题。对第3个问题的理解，要涉及到新陈代谢优胜劣汰之进化论的本质，对此我要放在下一小节再谈。这里先谈前两个问题。

先谈第一个问题，我要说明蛋白质折叠就是生命活力的体现。这可以从宏观和微观两方面来做分析。先谈前文已经谈到的，对于通常的气态或固态物质，光子、电子或声子的ρ(ε)与ε都呈幂律关系，这就会令能态分布ρ(ε)exp(-βε)会在某个特定温度处呈现为峰值，这幅图在几乎所有统计物理学教科书中都有，我就不画出来了。这个峰值体现了在特定温度下，系统有一个最可几的能量ε= E - E₀。如此一来，普通物质系统会呈现出任何生物活力吗？当然不会。因为对于普通物质而言，系统在这个最可几能量ε处概率最大，而处在其余能量状态下的概率都极低，基本趋于零。那么，最具有生命活力的状态是什么状态呢？

从微观的几率密度ρ(ε)情况来看，让不同ε对应的态密度ρ(ε)呈现出某种非常规的与ε的幂律分布，而是接近于exp(βε) 的分布，那么，ρ(ε)exp(-βε)作为ε的函数，就会尽量分布平缓。如果在特定温度β下以及ε从0到ε_max范围内，以上ρ(ε)exp(-βε)在各个不同ε点都接近相等，那么，在量子力学的分析框架下，我们就可以把不同的ρ(ε)exp(-βε)看做是不同能量下的多通道量子态——这些多通道量子态之间的相互跃迁，就体现了蛋白质折叠之物理图像。蛋白质有4级结构。前述“蜷曲成团”的4级结构为量子基态ρ(0)=1，态密度最低。但通过α螺旋β折叠以及多肽结构下的各种肽键氢键的能级估算，大致可以发现，从3级、2级直到1级结构，ρ(ε)的确可能接近于exp(βε)分布。从而，在蛋白质的各种折叠态中，其ρ(ε)exp(-βε)值都可能相差不大。这就是一道平缓的、各个能态密度分布接近均分的势垒隧穿图像。

为此，以上物理图形就体现了，蛋白质的不断折叠和展开过程，实际上显示了系统活力能E会处于极大化的状态，相应的系统信息熵S也同时达到极大化。从而，蛋白质折叠的的本质就体现了熵值和能量竞争所导致的另一个熵能系数极大化状态，从而远离了通常意义下的热平衡态。这正是把Anderson描述的NH₃之原子隧穿的物理图像推广到大分子的情形。为此，以往的通过酶来促使蛋白质的合成或降解，包括DNA遗传密码RNA转录翻译，等等，这些语言都属于生物学的话语体系。所有生物大分子反应都应当满足的物理学规律，若用活力能、量子隧穿、熵能系数和活力稳态等这些物理语言来取代，这在物理意义上可能是非凡的。

下面，我再从量子态演化的虚时性来解释氨基酸合成为蛋白质的自组织之路，这也是我们理解演化平台之稳定性的关键。蛋白质的合成来自20种氨基酸残基。我前文已经谈到，在生化反应合成之前，这20种残基构成了全同粒子，因为其个体能量差异相比于我们地球常温环境k_BT，约1/40ev实际上是非常小的。蛋白质的合成作为聚集过程，所有残基全同粒子要服从能动构架下的量子力学规则，这来自熵能系数的最大化的驱动。但这当中令人惊奇的一点是其稳定性：蛋白质的构造所呈现出的所有氨基酸残基之有序排列，要比任何自然形成的晶体之有序性都要稳定规范得多。例如，铁和铜都是晶体结构的，但我们平时日常生活所见的铁铜材料，哪里看得出其晶体结构呢？其晶体结构明显地含有大量缺陷和掺杂。而蛋白质结构则明显不同。不同人体所生成的胰岛素分子是完全一样的。人与猪的胰岛素也稳定地只相差一个氨基酸残基。从未发现某个人的胰岛素与其他人的胰岛素会不一样，或者某一头猪可以生成人胰岛素。

以上生命体蛋白质合成的高度一致性，体现了虚时演化性导致的活力稳态，属于我在前一篇博文谈到的全同性演化。这也说明活力稳态和量子定态的截然不同。炼铜炼铁的高温凝固或电解过程，在化学键能之结合上属于量子定态，成键之后则属于经典运动的实时演化过程。如此量子定态或热平衡态并不具有Lyapunov稳定性。用非平衡态物理学的语言来说，系统个体之间完全受温度随机力驱动而并无协调，这属于组织过程，这才导致了在热平衡态下，以上铁或铜金属会充满缺陷或杂质。但是，氨基酸残基聚集成蛋白质的全同性虚时演化过程却是具有“双向弹簧”稳定性的。之前博文我还谈到了，不同超导电子Cooper对为何会如此严格地等能量地形成简并稳态？这也体现了虚时演化过程的Lyapunov稳定性。为此，无论是活力稳态还是简并稳态，它们可能都具有某种Lyapunov稳定性。为此，如此Lyapunov稳定或许可以取代以往非平衡态物理中的自组织概念。

以上熵能系数最大化和演化的虚时稳定性，就体现了蛋白质合成这一聚集过程，就是生物演化平台生成的两个重要原因。这既解释了生命活力的来源，也说明了由蛋白质折叠形成的演化平台，为何会导致越来越复杂的生物大分子的聚集。这都是熵能判据要驱动生命演化走向活力稳态所致。这与基本粒子的平台结构由类似之处。最终稳态只有带正电荷的质子和带负电荷的电子（或许还包括几类中微子），而其他基本粒子，包括脱离了原子核的中子，就都只能以亚稳态的形式存在。

然而，本小节以上对生命体的解释还只涉及到了生命现象演化平台的量子性问题，而并未谈及另一个同样也很重要的问题，就是随机性。随机性在生物演化过程中所起到的作用还要联系着生物的进化，包括遗传和变异问题。这个问题我要留待下一节地磁翻转模型再继续讨论。

6.4基于量子性和随机性的元模型：地磁翻转模型与全球气温变暖

前一小节主要谈到了生命现象之演化平台的量子力学基础。然而，真正的生命现象是伴随着强烈随机性的，这特别体现在遗传变异上。而这种变异性与生物分子的类型有关，不同类型分子的区别很大。前述蛋白质，尤其是个体很小的多肽分子，如胰岛素就属于只有2条肽键的分子，就几乎没有发现它们会有何变异行为。但在细胞复制过程中DNA突变就比较常见了，没有如此基因突变，就没有生物的进化。而变异很频繁的生物分子还体现在病毒上，从感冒病毒到目前全球流行的COVID-19。不同生物分子为何表现得有如此差异？这体现了随机性在不同生化反应中有不同的体现。本小节在提出地磁翻转这个元模型之前，我首先要给出具有Markov性和非Markov性的两类不同随机性之概念，这是我在1990年代初自学生物学时就提出的问题。

随机性这个概念在不同的物理学中有不同的理解。早年统计物理学的经典理解，完全是基于个体的。后来的量子力学理解，如Born对波函数的几率解释，又完全是基于量子系统整体的。前文谈到的我的导师胡岗教授在他的《随机力与非线性运动》专著中，更把随机性看得非常重要，则是联系到系统演化的。在此书中胡老师写道：“在一定非线性条件下，随机力能对系统演化其决定作用，甚至能改变宏观系统的命运”。作为胡老师学生，我虽然基本同意这个观点，但却认为其逻辑前提必须是基于量子系统的——这是我个人在硕士毕业以后读到了这篇“多即不同”的文章，并自学了一些生物学知识以后才形成的想法。或许我们必须把量子性与随机性相结合才能解释生命现象。从经典物理出发是无法解释演化会走向复杂性的。为此，我对随机性的理解是基于量子力学的，并有两点看法：一是翻饼效应，二是雪球效应。

在谈这两个效应之前，我先简单谈谈构成生化生物大分子的分类。按照生物学的分类，有前文谈到的蛋白质、核酸（DNA和RNA）以及碳水化合物糖类等等。而我的分类则是按照熵能判据下的物理机制来做分类，这就可划分为能量型的大分子和熵值型大分子，下面简称能量分子和熵值分子。能量分子体现为活力能很高的分子，这就是前述的蛋白质了。这特指在某个特殊的温度区间范围内，这类分子会在其不同量子能级之间频繁发生跳跃，从而形成折叠效应，其物理基础则是该生物分子要趋于形成活力稳态。前述仅有2条肽链的胰岛素通常还不能被称为蛋白质，只有肽链超过50条的蛋白质大分子，才能形成具有活力稳态的能量分子。熵值分子则体现为具有不断自我复制的趋势。这体现为从杂乱无序的热平衡态中提取出部分“原料”并自发熵值跃迁成为分子构型不断重复的简并稳态。细胞的分裂，以及多糖构成淀粉等生化反应都属于熵值分子构成的简并稳态。简并稳态和熵值分子在下一篇博文再讨论，本文只讨论能量分子。

接下来我再来谈特别针对能量分子之形成，而产生的活力稳态下翻饼效应和雪球效应的概念。翻饼效应我之前在博文2已经谈到了的，这是从量子力学的角度来理解势垒隧穿。一块放在锅里的烧饼若要翻边，从经典物理的角度来看，我们无法想象其周边空气中分子的随机力对这块烧饼的扰动，会足以产生让烧饼翻边的能量。但若为量子烧饼，正面与反面放置在煎锅里的能量差ΔE就可能非常小，小到与热运动随机力k_BT差别不大也有可能。这样一来，常温环境热运动之随机力，就足以辅助系统产生量子跃迁，而翻动这块量子烧饼。为此，对于NH₃中N原子的振荡，隧穿前后能量严格相等，这当然勿须随机热运动的辅助。但对于能量分子蛋白质的折叠过程，所有量子态是由氢键或分子间的van der Waals力构成的，不同量子态之能量虽不会严格相等，但环境温度随机力k_BT可能就足以驱动蛋白质分子频繁地做量子隧穿。所以，即便量子态自身的能量很大，但只要不同量子态之间的能量差ΔE很小，热运随机力就会驱动量子态发生跃迁。所以，蛋白质折叠可以看做是量子力和随机力之联合作用而导致的。

雪球效应则体现为演化平台的另类生化反应，即前文所述的临界慢化。从地球演化史来看，最初高温状态的各种热原子在形成无机物以后，分子结构才变得稍微复杂，直到最后形成最具多样化复杂化的生命物质，如此走向复杂化的演化过程是怎样的？我认为这就来自雪球效应。这说明了生物大分子系统在趋于活力稳态的过程中，除了前述翻饼效应以外，还要通过化学键能不断扩大分子之间的链接，从而让小分子像滚雪球不断积累而演变成更大的分子。这就是雪球效应。雪球效应也属于随机力驱动的结果，但与前者翻饼效应之随机力仍属Markov过程并不一样，雪球效应来自随机力之累积，就属于非Markov过程了。这当中的物理原因要联系着演化过程的临界慢化。为此，我以往一直强调的是量子态属于Markov过程，而如此临界慢化却又并非Markov过程，这是怎么回事呢？

我对此设想的物理图像是，熵能判据的持续驱动会形成生命体的演化平台。前文已经已经谈到，Hawking在其《时间简史》里已经谈到时间箭头的概念，但物理学迄今给出的时间箭头指示指向热平衡态的。我在此要给出另一个时间箭头概念，则是指向活力稳态的。雪球在滚动过程让系统的活力能逐渐增大，同时熵值和熵能系数也同时增加，这就是雪球效应的物理图像。这一物理机制将导致所有植物动物等生命体会远离平衡，从而具有以下几个特点：1）系统会自发形成不同于环境温度的内禀温度，2）这同时也演化平台的形成机制，不会是一个生物分子，而会是生命体内所有大量分子如蛋白质分子，都会受熵能判据驱动而趋于以上内禀温度。3）以上演化平台的形成过程会伴随临界慢化，这与趋向于平衡态的时间箭头特性则有所不同。

以上随机性、量子性、演化平台、翻饼效应、雪球效应特别是临界慢化的时间箭头等新概念，可能博友们难以消化，我当年也是满脑子浆糊没有形成清晰的逻辑线条。为此，对具体某个现象的物理解释发展到这一步了，我们就不得不提出一个可用严格数学表述的元模型，来给出更为精确和清晰的描述。为此，怎样把以上这些概念融汇到一起，形成一个简洁清晰、而且有一定物理意义的元模型呢？这对于我这位学物理的人来说，实在有点勉为其难。这是因为我的生物学知识非常有限，要我在不熟悉的领域萃取出其物理机制并构建出模型，其难度很大。前文已经谈到，对于最为简单的胰岛素分子，要从中抽象出来，形成一个体现了以上概念的简化模型，这是极为困难的。为此，我当年就想到要改变方向，能否找到一个既体现了以上物理概念和思想，但却并非体现在生命现象之中，而是仅仅局限于物理机制下的元模型呢？

为此，以上元模型的灵感来自我在1992年偶尔看到电视新闻，说联合国要出台一个气候变化框架公约，让世界各国减低温室气体排放以遏制全球变暖。我当即就觉得这是非常荒唐的。相比于太阳光的照耀，人类温室气体排放对气候能有多大影响？另外，当时恰逢刚结束海湾战争不久，伊拉克放火烧了700多口科威特的油井。人们当时也在分析这对环境气候温度会带来什么影响。从燃烧本身发热来看当然应当引发气温增加，但从烟雾上升遮挡了阳光来看，这又可能令气温下降。最后实际的情况是对当地温度没啥影响，这是我与朋友聊天间接了解到的：中国也派出了人员扑灭大火。据灭火队的人员说，油井大火虽给当地带来了巨大污染，但对环境温度的影响并不大。所以，温室气体的排放与全球气温变化理应也没有什么关联。但是，地球温度在变暖这个事实，我们也不能回避。那么，全球变暖是什么原因导致的呢？

我突发灵感，地球南北磁极的翻转，也是可以与Anderson给出的NH₃中的N原子在H₃平面的隧穿这幅物理图像联系在一起的。为此，以上氨分子的电偶极矩、蛋白质的折叠以及地球南北磁极的翻转，或许都有共同的物理原因：把地球磁极问题看做是一个量子双稳态系统当然是合理的。这样一来，地磁北极N和南极S通常每隔几十万年要翻转一次，就属于以上时间箭头下的临界慢化。翻转期就是每次稳态磁场从减弱到零再逆转的过程，这大概也会持续百年到千年。而零磁场状态就应当是熵能系数最大化的状态，这就是导致磁极翻转的时间箭头。或许地球目前已处于翻转期了，这才导致了全球气温变暖？这样一来，为了理解生命演化过程会形成远离平衡的恒温稳态，我们需要构造的元模型也可以来自这一地球磁极翻转机制——它或许可以同时解释全球气温变暖问题，以及生命蛋白质的活力问题。

我设想的以上地球磁极翻转的元模型之基本物理原因是，目前地球可能已经脱离了地球磁场已有的北极N和南极S之双稳态，而已经进入雪球效应下雪球越滚越大的量子隧穿状态。雪球越滚越大，就类似于某种自旋玻璃效应：在导致地球磁场系统之活力能的逐渐增加的同时，也会令地球磁场的逐渐减弱。地球外磁场能量会逐渐转化为地球自身的某种磁畴相互作用能。当然，这个过程还可能伴随着其他的能量转换——这大概就是是地球变暖的物理原因。为此，这与生命演化平台下，地球上的动物和植物的温度也一定要偏离地球的环境温度，而形成远离平衡的活力稳态，两者的物理原因理应是非常类似的。这都来自随机力的驱动，会让系统的熵能系数最大化从而形成演化的时间箭头，而且它们都具有临界慢化效应。为此，温室气体排放应与地球变暖并无多大关联。下面，我再简单地把地球磁极翻转之元模型的物理基础，说明如下。让我先从简单的地球磁性科普谈起。

对于地球磁性的来源理解，现有地质学的解释是发电机理论（Dynamo theory）。这与物理学已有的的铁磁性理论并不矛盾。之前博文2已述，任何铁磁体在高温冷却后会自发形成磁畴结构：铁磁体物质系统之能量均为磁畴相互作用能，其外磁场一定为零，除非受到外磁场的磁化。地球自40多亿年前诞生以来，也经历了高温冷却，为何却会呈现出微弱的外磁场呢？这是因为地球始终在自转，地球内部的电荷伴随着自转才形成了磁场。至于对磁极翻转的理解，现有地质学主要有两个解释：一是地核的自转与地壳和地幔不同步。二是更极端的观点，认为可能来自星际物质对地球的撞击。这两种看法虽各有其道理，但都难以解释磁极翻转的随机性：虽然平均50万年左右磁极就会翻转一次，但在时间上如此翻转却未呈现出任何周期性：在过去约7000万年的100多次翻转中，最短的时间间隔约为5万年，长的则高达300多万年。最近的一次翻转是78万年前的Brunhes-Matuyama翻转。不同步自转必然带来翻转的某种周期性，而星际物质碰撞的解释则只能是一次性的。以上两种解释都无法说明磁极翻转的随机性。

为此，我对地磁翻转的理解是基于量子双稳态的势垒隧穿的随机性，这与简单的NH₃分子中N原子的势垒隧穿还并不一样。N原子隧穿前后完全是等能量的而并无随机性。地球磁场目前则正处于两个双稳态之一。为此，该磁场双稳态为何会发生隧穿，并且具有平均50万年左右的随机性？进而，隧穿过程中为何地球还会升温？这就需要我们从系统演化视角来分析。为此，对于地磁翻转元模型，我提出了以下两点理解。第一点理解是系统稳态问题，这涉及到两个热力学状态，热平衡双稳态和活力稳态之间的切换。地球磁极翻转就体现为两类稳态之间要发生切换。第二点理解是隧穿的演化过程问题，这涉及到前文提出的临界慢化，弄清楚临界慢化的机制非常重要。我们必须把以上演化过程搞清楚了，才能让这个元模型也能解释地球生命的演化问题，即前文前提出生命演化的三个特点。下面，我分别来谈以上地磁翻转两点理解。

1）对地球磁场问题的第一点理解，是地球磁性存在两个热力学状态：热平衡双稳态和活力稳态。前者热平衡双稳态很好理解。我们目前地球磁场的N极S极就处于一个热平衡态。假如地球磁极几十万年以后发生了N极S极对换之磁极翻转，而又形成一个磁极反向的新的热平衡态，这两个热平衡态就构成了磁极翻转的双稳态。对此双稳态描述在非平衡态物理中虽然常见，但能否将其看做宏观量子态？后来，我读到文小刚和顾正澄2009年发表在PRB上的一篇著名的文献，是论述对称性保护序的。此文有个举例，就是把经典Ising模型看做是只有σ_z的上下两个磁化方向之量子态结构，并将其当做两重简并的量子基态来处理。为此，从宏观量子力学的角度，而不是单纯的经典热平衡态来理解如此理解双稳态，看来也是可以被物理学界所接受的。不过，我要构造的地球磁极元模型双稳态与Ising模型的不一样之处在于，地球磁极的双稳态应当略低与系统的Curie温度而接近活力稳态，这并非量子基态，从而会容易发生磁极翻转。

接下来，地球磁极的活力稳态又是怎么一回事呢？这就是指以上量子双稳态在磁极翻转之隧穿过程中，整体磁化强度为零的极值点处。这也是我前文指出的，熵能判据中系统的活力能、熵值以及熵能系数全部达到最大化的极值点。地球磁极为何会发生如此翻转且与生命活力具有可比性？这说明了两个问题。一方面，与生物体诸如蛋白质合成的活力稳态形成过程一样，熵能判据的驱动会让任何热平衡双稳态的一方，以滚雪球的的方式推向活力稳态。之前我已经谈到，在这当中时间演化处于临界慢化状态，而且为非Markov的时间箭头过程。另一方面，地球磁极之活力稳态又与生命现象有所不同。生命体会通过生化反应来释放热量，从而维持着活力稳态之热平衡。但地球磁场结构下的如此活力稳态由于缺乏持续的热能维持，因而并不会持续地停留在活力稳态的巅峰点，其活力能会发生衰退。这正是我想象中的地磁翻转模型：热平衡双稳态只会缓慢穿越活力稳态，而仅在在穿越的过渡期令地球会吸热而变暖。

2）有了以上两类稳态的描述，接下来我的第二点理解就是要给出演化途径的物理图像，这必须要基于量子性和随机性的双重作用，而与以往基于经典的非线性和随机力的非平衡态物理分析截然不同了。微观的不同就体现在量子翻饼效应，这表明地球磁体结构下的“磁畴”作为量子个体会在随机力的作用下不断量子跃迁，不同“磁畴”之间要调整量子耦合的模式，以形成活力能更大的、不同尺度的“磁畴”结构。在宏观上这就体现为雪球效应，会让调整了耦合模式的“磁畴”结构作为雪球体越滚越大，最后的巅峰值应当就是把整个地球演变成了总磁矩为零，即熵能系数最大的活力稳态。显然，这才会导致系统的活力能会逐渐达到巅峰，并伴随着吸收热量让全球变暖。这当然也与生命体的成长会形成远离平衡态的稳定，即具有与环境不同的温度之物理原理相同。如此临界慢化机制，会始终伴随着地球磁极的活力稳态的形成与衰退。

以上量子性和随机性的物理图像体现了两点：一是它颠覆了我们以往对于随机性的理解。以往物理对随机性的理解是，它一定会驱动系统走向无序，这是建立在过去我们过去只有热力学平衡态的概念。而今，我们既然已经建立了除平衡态以外的活力稳态、简并稳态这些远离平衡的稳态概念，那么，熵能判据下的随机力驱动就会逼近这些稳态，并令系统演化变得有序化。第二点则解释了随机性在熵能判据的驱动过程中，还存在时间演变之临界慢化现象。如此临界慢化现象不仅体现在地球磁极翻转会具有平均耗时50万年的随机性，还体现在雪球效应还可以解释地球磁极 “漂移”（excursion）现象，百度百科就有一个“磁极漂移”的条目。这是指地磁场有时会先减弱，然后在不翻转的情况下再次增强：我的理解是在随机力驱动下，不断增大的雪球还可能“半途而废”，即没有爬坡到活力稳态，从而会反向滚动，又跌回到磁矩的热力学平衡态。如此物理图像就更加显示出系统演化的特征

进而，要建立以上地球磁极翻转之元模型，要解决的核心问题就是对“磁畴”结构的认知问题。这在磁学中是一个的古老问题了。对于各种铁磁体撒上磁粉就可以实验观测到各种磁畴和磁畴壁结构，1990年代我专门找了这方面的书籍了解了一些磁学知识。但当年的，也包括当今的从拓扑结构来研究磁学问题的文献，都是把磁畴和磁畴壁结构看做类似于晶体结构的东东，这当中只有物质不同磁畴的排列分布的静态结构，而并无动态演化下不同尺度的磁畴增长结构。什么是不同尺度的增长结构？除了我想象的以上地球磁极翻转图像以外，蛋白质的1，2，3，4级结构，DNA的双螺旋增长结构，从单糖葡萄糖到淀粉的生物分子演化，就都体现了出了某种增长型的结构。对地球磁畴的如此增长结构的研究，目前还不充分。我的的感觉，似乎以上地球磁极翻转更应当借鉴对无序材料，如自旋玻璃的研究，但其基础必须是基于量子力学的。

另外，地球的微观磁结构既然来自原子之间的量子磁矩耦合，这当然与从简单分子到生物分子的化学键耦合还是有所不同。但从宏观结构上来看，地球磁极结构和生物分子结构还是有类似之处的，它们都体现了远离热平衡态的稳定：原子之间的磁矩耦合所形成的磁畴和磁畴壁结构，一定是越来越复杂的结团结构，这才会导致“雪球”在趋于磁极翻转时越滚越大，最终让整个地球变成无磁场外泄的整块“磁畴”。同样地，生命演化也是逐渐生成越来越大的蛋白质分子，越大的蛋白质分子，其活力能和熵能系数才能达到最大化，这也来自熵能判据的驱动。这两幅物理图像是否有等价性呢？这里要特别说明一点的是其共性：以上远离热平衡态之稳态的形成绝非能量守恒的含义。为了实现熵能系数最大化，它们都要吸收环境的热能。其物理机制与电冰箱中的制冷氟利昂从液态转化为气态时要吸收环境的热量，原理都是相同的。这也体现了随机力的驱动之时间箭头并非完全无序地指向热平衡态，它同样也会驱动系统走向活力稳态。

写到这里，我想我已经尽我所能，把地磁翻转元模型之物理图像基本讲清楚了。接下来我要简单说明一下，全球变暖与地球磁场的减弱是否具有相关性的这个问题，近年来实际上也已经得到了不少地质学家的肯定。我虽然不是学地质的、对地质学也无任何研究。但过去这几十年来，我一直关注吉林大学地质学的老教授杨学祥的文章，他所给出的结论是：全球变暖时期对应于地磁反向减弱期，全球变冷对应地磁的正向减弱期。显然，这与我的以上基于量子隧穿的地磁翻转模型是相吻合的。目前地球磁场正处于反向减弱期，从而全球气温是逐渐变暖的。杨学祥教授写了不少地质学论文，也就全球变暖问题与地磁的相关性问题接受了不少媒体采访，有兴趣的博友可以简单地从互联网上查询到相关文献，我就不在此罗列了。但杨学祥教授的观点与我的以上地磁翻转模型有一个明显的不同：他是把全球变暖当做因而地磁反向是果。我则认为，是地磁反向这个因导致了全球变暖的果。

6.5 两类系统演化模式与重建物理学分析框架——来自跷跷板的启发

在博文1中我已经谈到，2013年汤超教授提出的跷跷板模型让我一夜无眠，我从此走火入魔到了50岁，还力图从头开始研究生物学问题。本小节作为本篇博文的最后一小节的结束语，我就来谈谈我当年未果的想法。我为何会认为这个体现了细胞命运转换的跷跷板模型可能意义非凡呢？事实上，这要追溯到我早年就有的关于生命机制的一些想法，但这些想法一直处于“理论没有联系实际”的阶段。事实上，这也是我为何要写下本博客系列的重要的原因。正式发表的论文要展示的是其思想、理论或模型成功之处，不成功的想法是无法作为论文发表的。但我自认为，自己的想法虽然没有被证实，但却又可能是可行的。汤超教授提出的跷跷板模型让我看到了重建物理学分析框架的希望。为此，对于以上地球磁极翻转模型，我认为它实际上只解释了生命机制成因的1/4，还有3/4的问题没有解决。这3/4体现在我的以下两点遗憾。

我的第一个遗憾是，尚未找到对分岔演化过程描述的物理机制。对聚分演化平台的描述，以上地磁翻转模型只是描述了一半，即聚分演化中的聚集演化的部分。聚集演化当然很重要：分子生物学的中心法则，为何会呈现出从DNA → RNA →蛋白质的顺序，以及如此生化反应为何会相对缓慢的原因，其物理机制可能都体现在地磁翻转模型所表达的翻饼效应和雪球效应，它们都来自熵能判据的驱动且均呈现出了临界慢化。但聚分演化还有另一半，分岔演化过程。如果说蛋白质的合成体现为聚集过程，那么，蛋白质的降解就体现为分岔过程。蛋白质的降解，包括一切其他生化反应中的新陈代谢过程，应当同样是非常重要的。在博文5中我已经谈到了高温筛选问题，金属材料的提纯是可能通过高温的固液相变来实现的，为此，我进而认为，分子生物学的降解反应，可能也起到了同样的功能。而这些就属于聚分演化的另一半，分岔演化。

我想象的分岔演化之重要例子，就是对生物手性的理解。在之前博文中我已经谈到，Miller-Urey实验所模拟地球早期的生态环境已能生成各种氨基酸等基本生化物质，但实验模拟给出的都是左右手性对称的。演化平台的长时间积累，为何会导致只有L-手性的分子被保留，而D-手性的分子却被淘汰了呢？我的理解是，该淘汰行为就可能来自分岔演化。前文已述，对于蛋白质的准一维多肽结构而言，为了让能量几率ρ(ε)exp(-βε)在各个不同ε点都接近相等，ρ(ε)就要接近正比于exp(βε)而增长。但L-手性和D-手性氨基酸残基混杂合成的大分子，或许就难以保障这一点。熟悉量子力学简并能级计算的博友都很清楚，如果一个生物大分子是由L手性和D手性的小分子混杂化学键链接在一起的，则一定会呈现出大量一级简并的量子态，其高阶微扰近似下才能去简并化。这样一来，去简并化之后的能量密度ρ(ε)就可能出现分布不均匀的情况，特别是在ε很小的低能区域。这就会影响ρ(ε)exp(-βε)的均匀性，而不利于蛋白质的折叠。

为此，原初地球生命分子在演化到需要合成蛋白质这个阶段时，为了令其充分折叠从而凸显生命活力，就必然要排斥和淘汰掉一种手性的生物分子，而形成手性的不对称——生物分子的不对称性或许就起源于此。至于是D-手性被淘汰只有L-手性才被保留，这或许是进化过程中的某种偶然。以上进化的物理描述，可以与国家运作要由立法、行政和司法三个部门相互协调来做比喻。熵能判据无疑等价于中心法则就体现了“立法”。而蛋白质的合成也包括其他生命物质的合成，可以被看做是聚集演化的后果，这体现了“行政”部门的运作。然而，无论是降解成为氨基酸而生成生物分子的基本原料，还是有缺陷的生物分子或细胞要修复或淘汰，任何生化反应都还需要要有一个分解、甄别、筛选、淘汰机制。这就体现为聚分演化中的分岔演化，其功能是做“司法”评判。但分岔演化如此“司法”评判所对应的物理机制，我缺乏想象力。

我的第二个遗憾是，除了活力稳态以外，生命体理应还存在另一类同等重要的简并稳态，我也未找到对其物理机制的恰当描述。在生命体的演化过程中，许多生物分子的寿命很短，如各种蛋白酶。但也有很多生物分子却被保留了下来且“寿命”很长，这主要体现为细胞结构，从肌肉组织，脂肪结构到脑细胞。这些在生命体内保留下来的结构，还包括各种重复的大分子结构如多糖等，它们与我在博文4中分析的超导超流的简并稳态非常类似。进而，从能量的角度来看，前述活力稳态是活力能极高熵值极大，对应于熵能系数也极大化的单个系统。而简并稳态是大量重复的子系统构成的。姑且不谈每个子系统内部的结构，这些重复子系统构成的大系统显示了，这是活力能最低但信息熵更大从而熵能系数很大的系统。活力稳态和简并稳态是系统活力能的两个极端分布之体现。但我也未能对简并稳态的形成和演化机制给出恰当的描述。

关于活力稳态和简并稳态的演化机制，下面我还要多说几句我的并不严谨的想象。在博文5我已经谈到了虚实转换和相位转换的概念。为此，我设想的第一种演化机制就是转换机制。活力稳态既然体现为介乎于经典态和量子态之间的量子隧穿稳态，那么，一个合理的推测就是，生命系统在演化过程中可能生成各种蛋白酶来调节势垒隧穿的高度，从生成或阻断以上虚实转换。同样地，介乎于量子态和热平衡态的简并稳态，它可能呈现出量子叠加态的相位，也可能如同Bose或Fermi统计那样丧失量子相位。为此，简并稳态作为活力能最低的状态，其生物学意义体现为某种储存功能就很合适：普通细胞中脂肪的储存为实物储存，这就与普通热平衡态趋同。而脑细胞神经元的信息记忆储存，则可能体现为量子相位。施一公将此想象为量子纠缠或许真的有点靠谱。但虚实转换和相位转换，是否就构成了生命体演化平台之物理图像的全部？

为此，我想象还会有另一种演化机制，跳转机制。一是前文在描述蛋白质折叠时我已经谈到了，折叠态体现为ρ(ε)exp(-βε)在0和ε_max要尽量等几率分布。然而，普通光子电子声子的统计分布会呈现出某种最可几的能量。这就属于活力稳态和热平衡态之跳转的物理图像。我想象的另一个跳转机制，就体现在简并稳态和Jahn-Teller效应之间。作为由大量子系统细胞构成大系统，熵能判据会驱动其形成等能量的简并稳态。这体现为能量在各个子系统细胞均分的等几率态。但另一个相反方向的熵能驱动就体现为Jahn-Teller效应下的非对称结构。系统的各种可能的能量态发生了分离。系统主要停留在能量基态，而在激发态的几率相对很低——以上情况完全属于我的物理想象，但在现实的生命系统中是如何表现出来的呢？是不是体现为新陈代谢细胞的死亡？我生物学知识的不足，无法将其与我的物理想象力对应起来，这就是我的第二个遗憾。

这就要谈到北京大学汤超教授的跷跷板模型了。十年前的2013年，我偶尔看到一则新闻。北京大学汤超教授用“跷跷板模型解读细胞命运转变”。新闻中还有一幅插图，是刊登在Cell杂志上的一位中国男童和女童完跷跷板的封面图，这让我惊讶不已。图中跷跷板中间的三角形凸出点，恰恰就是我想象的量子演化中间态。图中这两个一男一女的孩童分别就是我想象的经典态和平衡态。更蹊跷的是，这幅图的跷跷板上还有两个凸出的小杠，就分别对应着我所设想的活力稳态和简并稳态。为此，这幅跷跷板的图片，不就是我这几十年梦寐以求的系统演化图像么？我的以上两个遗憾，有3/4的生命演化机制尚未找到对应的物理机制，是否就隐藏在这幅“跷跷板模型解读细胞命运转变”的图像之中？

跷跷板.jpg

我这个人平时倒下就能睡，但2013年春夏之交的这一天，我却一夜无眠。我感觉，这幅图可以上升为物质系统的系统演化图，由此可以建立起物理学的新的分析框架。从此以后，我改变了自己的人生道路，重新开始钻研物理学和生物学。博文1已述我当年的心境，就不在此重复了。但遗憾的是，我这个人毕竟没有受过生物学训练。这个跷跷板模型里提到的概念，所谓中胚层基因、外胚层基因如何相互抑制和相互平衡，又如何决定细胞重编程和细胞命运决定机制，这些内容对于我这个生物学的外行，是很难理解透彻的。既然缺乏对这些生命现象的理解，再想构建出一个类似的地磁翻转模型，对我来说就是奢望了。

但是，以上这些观点，我认为自己能够理顺思路并书写下来，或许能够协助人们将来创建物理学的新的分析框架——即建立在以各种稳态及其相互转换为基础的物理学分析。这也算我这些年来的思考没有白费。这些思考对我来说是未竟的事业，但对其他人来说，或许可供科学探索之路中作参考。另外，过去的十年我自认为还有点收获的是，在思考简并稳态问题时，又重新回到凝聚态物理。认为从系统演化视角来分析，简并稳态与拓扑物态和量子纠缠具有某种等价关系。这些思考我会在下一篇博文再细述。