第二章 生命的开端

——评爱因斯坦、N・维纳、W・R・艾什比、W・薛定谔的哲学思想及其他

 张顺江

第三节  冷子论与信息论 

一、冷子论与热力学第二定律的边界性

（一）热力学第二定律的魔力

        在讨论生命之“几”产生之前有必要深入研究分析一下冷子论与信息论。因为一般的书上常把热力学的热熵与信息熵两个概念混为一谈。

        冷子论是相对于热力学的热能由高温向低温单向传导的理论而提出的一种新理论。热力学（亦称热子论）理论的最基本定律之一就是热力学第二定律。一个孤立体系的熵值，总是要自发地趋向增加，直到达到其最大值——平衡态的熵值。

        1850年德国克劳胥斯，1852年英国的汤姆生，分别独立地发展了卡诺定理，提出了热力学第二定律。以后，这个理论应用范围不断拓广，从而“宇宙寂灭说”成了不可解决的难题。现在也还有人认为，热力学“指出了一切変化都是向着熵增大（即或然率较大）的方向进行，在人类经验范围内是完全正确的，它指出了自发过程向一定方向进行的内在原因。”并认为是“充实了辩证唯物主义的科学内容。”

        既然一切变化都是向着热熵增大的方向进行，那么根据辩证法必然存在着它的对立面。它的对立面哪里去了呢？在这里不但宇宙“寂灭了”，辩证法也“灭亡了”。

        真的“一切”变化都增加热熵并且在人类经验的范围内“完全”正确，而且还揭示了宇宙的“内在”原因吗？

        吉布斯提出的宇宙观：“秩序是最小可能的，而混乱是最大可能的”是永恒的普遍的真理吗？热力学第二定律到底有多大的魔力？它的应用边界在哪里？对混乱与有秩如何理解？热熵与信息熵如何区分？它们的本质是什么？这些构成了当代迫切要求回答的问题。

（二）冷子论的理论根据

        冷子论与热力学第二定律的热子论背道而驰，热子论是研究热从高温向低温传导的理论，而冷子论是研究能量从“低温”向高温”传递的理论。如果热能总是单向传递，宇宙的热寂则是不可避免的。

        冷子论认为在某种条件下能量从“低温”传到“高温”。这在人类的经验范围内也能说明。如：由两块炽热的金块，一块1000°C，一块2000°C，构成一个孤立的系统，并使它们的热量不能通过传导的方式进行而只能以辐射的方式进行。我们能认为只有2000°C的金块向1000°C的金块辐射热量（送来能量），而1000°C的金块就不向2000°C的金块辐射能量（送来能量）吗？

        热辐射的热力学理论指出：“依赖于物体温度的辐射叫做热辐射。任何一个物体都在发射辐射能，并且吸收四周物体射来的辐射能，只有它发射的能和吸收的能达到平衡时，物体的温度才达到平衡数值。”

        在这个结论中并没有指明辐射只能从高温传到低温，而是互相交换热辐射能，至于高温向外（低温）辐射得多，低温向外（高温）辐射得少，因而引起交换量的最后结果是低温物体获得的热量多，高温物体获得的热量少，并不能说明（不等于说）低温物体根本不能通过辐射向高温传递热量。这证明冷的物体是一定可以向热的物体传递热量的。

        然而上面的例子的机理终归告诉我们，通过热辐射的方式，热量是能向高温物体传导的。这说明，辐射方式传导的热能，宏观上符合热力学第二定律，而在微观的机质上是不符合热力学第二定律的。这个结论是否可以推广呢？这就是热力学第二定律的边界性。它证明：以场的形式存在的能量的传播没有方向性。

（三）热力学第二定律的边界性

        上面的分析，证明了以场的形式存在的热能的传导方式没有方向性。也就是说，以场的形式存在的能量传播不符合热力学第二定律。这个很自然的结论，看来很简单朴素，但它导致了冷子理论的诞生。

        既然以场的形式存在的能量不符合热力学第二定律，那就是说热力学的应用范围不是无限的，而是有边界的。为热力学第二定律所决定的热只能单向流动不见得对一切变化都是正确的。在这里得到的逻辑结论则是：热力学第二定律的应用存在着边界，即以场的形式存在的能量的传播并不符合热力学第二定律。因为以场的形式存在和传播的能量通过“镜”（磁镜、电镜、透镜、反射镜、聚焦镜等）就可能使热由散到聚。

（四）冷子装置的分类

        能完成由能量的“散”到能量的“聚”的装置，就称之为冷子装置。仔细考察起来，在人的经验范围内存在大量的冷子装置。

        如，凸透镜（完成聚光）、共振线圈（完成电磁波吸收）反射太阳炉（完成光聚焦）等。这一类冷子装置能完成入射能的瞬时聚焦作用。从输入看它们是不发射辐射的绝对黑体。

        而另一类冷子装置如氯化银等构成的感光底片，植物的叶绿体，它们虽然没起到瞬时的聚能作用，但随着时间的积累，照片感光度增加，也完成了聚能的作用。对它们来说，对于入射的能量同样是不发生辐射的（近似的）绝对黑体。所以，也可以说冷子装置是不发生辐射的绝对黑体。

（五）冷子论与生命起源

        在上章中冷子论为宇宙的起源奠定了基本理论，在这一章，通过大自然创造（设计制造）的冷子装置——叶绿素又为生命活性的动力来源找到根源，从而为生命的起源奠定了理论的基础。

 

二、信息熵与热熵的本质区别

（一）信息熵与热熵的本质区别

        生命的基本特性是它的“活性”，而这种“活性”是由它内部的组织性，即一般所说的有序性所决定的。在研究分析生命的发展方向问题之前。有必要澄清一个问题。因为有人认为生命的进化是逆着热力学的增熵方向而动，说什么生命的存在是靠从环境中不断地吸收了负熵，靠吃进“秩序”。

        如著名物理学家薛定谔早在《生命是什么？》一书中讲到：“生命之所以能存在要靠从环境不断吸收负熵。就是说要吃进‘秩序’来维持生命的有序结构。”在这里显然把热力学的热熵与信息论中的信息熵从本质上混为一谈。尽管生命的存在（稳定性）需要能量，生命的活性是生命机体的高序性，即组织化的程度决定的，但热力学的熵和信息论的熵终归是本质不同的两码事。

（二）吃进能量不等于吃进“秩序”

        生态系统通过生产者叶绿素不断地从环境中吸收光能并把它聚集起来，并不意味着生命从无序到有序的转化;只意味着它吃进了能量;并不意味着它吃进了“秩序”即增加了信息熵。因为正如N・维纳所说：“信息不是能量，也不是物质”。

（三）信息熵的物理意义

        信息是物质与物质之间互相关系的最一般的抽象的表达（它的度量单位，就其人所能观察的能力来说，都是主观认知对客观存在的表述。所以只能从主观去理解，从实践去理解）。它的度量单位是比特，1比特=log2 2。

        在艾什化的书中信息量是用变异度来表示的，在申农的书中，对状态出现不等概率的系统，信息量是借用热熵的负值表示的。

        如已知一组概率为P1，P2，P3……P

        申农由此计算它的熵值H（P），它的物理意义是系统状态所能具有的变异度（即携带的信息量）。

（四）信息熵的大小与主观分辨能力有关

        这里应当指出，系统从一个状态是否过渡到了另一状态，除系统的客观内容之外，还和观察者的主观能力有直接的关系，正如艾什比所说：“如要好好确定一集合里所含不同元素的个数，并不是集合本身的内在属性;如要好好确定一集合里所含不同元素的个数，必须先规定观察者是什么人，他有什么样辨别能力。”而热力学的熵值在推演的过程中是以气体分子完全随机的不可分辨性为依据的。

        信息熵必须先划定对象的层次。因为信息熵的值是根据人的主观辨识能力和具体研究对象确定了人们感兴凘的层次后得到的，而热熵永远是确定在分子随机不可辨别的统计性的层次上得到的。它的基本思想尽管加入了统计的观念，但基本上还是简单的“原子决定论”。

        现代信息论的研究，辨别能力已经深入到对生物大分子的辨别能力上了。如，对生物信息密码的研究，其分辨能力在分子水平，即区分不同的氨基酸和核甘酸以及它的排布。这就是说对生物信息的研究是在分子水平的辨识能力，而不是在不可分辨的分子的简单统计的规律上，从这里可以看出，信息熵和热力学的熵具有完全不同的本质。

        信息作为物质与物质之间关系的概括与抽象是客观的，但从哪一个层次去研究这种关系，要受两方面的限制，首先受到人的限制，其次还要受到所研究问题的目的的限制。

        如为了研究热的传导的机理，依靠气体分子的统计和不可辨识性就能得到热力学第二定律的理论根据，即孤立系统热熵增大的规律。一连士兵如果确定在每个人的细节不可辨识而整体可以辨识，他们能具有一定的信息。如果每个人穿的衣服和裤子可以辨识，则同一连士兵的排布信息熵会大大增加。

        从这里可以得到结论，理解这个客观的信息的是人。所以对这个客观事物信息又应从主观去理解，从一定的层次去理解，从实践中去理解，要想谈论信息熵的值，首先要划定研究问题的层次，要确定主观的辨识能力。

        关于把客观的信息（事物之间存在的一定关系即可辨识的差异）在传输中赋以主观的意义，那完全是由于人的需要。这种赋予了主观意义的信息，称之为消息。把这种消息用全体人们约定的符号表示出来就构成了精神产品——文件、书籍、报刊，计算机软件等。这种约定如果仅限于部分人，而对另一些人是不可识的，就是“密码消息”。中国话（消息）对不懂中国话的外国人就构成了密码消息。

        至于用什么物质的关系（可分辨的差异）传递这种赋予主观意义的信息——消息，完全由现代技术手段发展水平和现实情况采用何种手段对人的需要最方便而定。这种赋予了主观意义的信息——消息传输多少，是由“变异度”传输的量所决定的。在单位时间所传输的量，是与通道传输能力有关的。为了电视机传递出清晰的图象，首先要研究人眼的辨识能力和眼在生理上对画面的消失时间，从而确定画面象素的大小和单位时间传输画面的数量。象素太大就使人眼看出画面是由点组成的，单位时间传输的画面太少，就会使人看上去动作不连续。所以，为了完成这一信息的传输，单位时间传输的信息量，也是基于人的辨识能力。

        总之，信息是指客观事物之间的关系的最一般的抽象的表述。它是客观的，其度量的量是差异，即变异度、信息熵。人对事物的差异能否观测到则是主观的，而一切赋予了主观意义的差异所构成的消息（一般人所理解的信息）是不同于信息的。差异不是消息，携带差异的物体（载体）更不是信息。赋予了主观意义的差异在不同载体中的传输构成了消息流（一般称为信息流）。

        这就是现代人们把信息归结为要从客观（信息——事物之间的关系，即差异）、主观（给差异赋予大家约定的主观含义——消息，如文字，语言……）、中介（传输中的消息流）三方面去理解的原因。就人与人、人与物，物与物之间的关系而言，是信息把它们构成了一个统一的整体。所以对信息的理解，归根结底应从实践中去理解，从主观去理解，才能避免唯心主义的错误。

（五）维纳的理论错误

        N・维纳正确地意识到信息不是能量，也不是物质，但他未能了解信息的本质。发表了一系列含混不清的言论，对以后的学者影响很大。例如“不消耗一定的能量就不可能传递信息”。这是对的;但是他由此得出结论“能量的联系和信息的联系之间没有明显的界限”则是不对的。在这里，维纳把物质（能量也是物质）和物质与物质之间的关系混为一谈了，同时也否定了“信息不是能量”，“信息也不是物质”的正确结论。

        至于“象树木的生长或人体的生长这种直接或间接依赖于太阳照射的局部过程，熵大量下降可能只花费不多能量”，就更值得讨论了。什么是人体中的熵呢？是指热力学的熵吗？还是指人体组织的有序性？如果指前者，就意味着向人体输入满足生命需要的能量。根据生命的需要，不同时间需要的能量不同，决不是“只花费不多能量”所能办到的。如果指的是生命的有序性，那么再多的能量输入也不会使现在活着的猿的机体组织程度进一步增加，而变成人。可见N・维纳的这段谈话，思想是混乱的。在这里如果不把熵的概念开发清楚，就无法谈“花费不多的能量”就会使“熵大量下降”

 

三、能量不能使机体的信息熵减小

（一）机体的信息熵的概念

        控制论、信息论、系统论创立后对生命现象的研究进入了个崭新的阶段。人体的熵有了固定的含意，即指生命机体的有序性和组织程度，所以薛定谔说：“生命存在是由于不断吃进‘秩序’。这里吃进“秩序”就是指组织程度增加，熵下降。

        因为，人体的熵是指人的机体的有序性和组织程度，所以，这种有序性和组织程度就决定了人们具备的素质，即“含几性”。原材料经过工厂加工、组装既可以生产出汽车，也可以生产出飞机、火车。汽车、飞机和火车是因为它们的组成不同、有序性不同决定的，并不是由它们加工时耗了多少能量决定的。对生物来说，生物体内的熵就是它的机体的有序性与它的组织程度，即生物所含的“几”。生命所含的“几”，一般称之为生物素质的内涵，而这种内涵在外界条件作用下能表现出什么特征，则是生物素质的外延即生物表现出来的活性。现代科学证明，生物素质的内涵，即它的有序性和组织程度是由早已存在于生物机体中的“生物信息密码”所决定的。

（二）能量不能使机体减小信息熵

        生物自身的有序性和组织程度的改变（用N・维纳的话来说熵是大量下降）决不是因为N・维纳所说的“生物学的一个基本事实，具体说来，也就是光合作用理论的一个基本事实，光合作用是植物利用太阳光，水和空气中的二氧化碳制造出淀粉及生命必须的其他复杂化合物的那种化学过程。”这种过程不能使生命体的信息熵大量下降（有序性和组织程度增加），因为首先光合作用就是生命机体中原子、分子的一种有序性和组织程度决定的。

        可见，有序性和组织程度的增加决不是光合作用这个基本事实。如果是光合作用这个基本事实，对生命的进化的研究就用不着控制与信息的理论了，那就只需研究，如何有效地把光能转化成生物化学能就够了。可见只有把信息熵与热熵严格地区别开来，才能解决宇宙热寂、退化和达尔文进化论之间的矛盾。

 

四、把信息熵与热力学的熵混同起来引起的悖理

（一）从无序到有序不一定要输入能量

        我们知道太阳射来的光是白光，而这种白色的光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光混合而成。对人来说这种混合的光是混乱的、无序的。但对这种白色的光不用输入任何能量只要叫它通过三棱镜就能显现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的有序的鮮美的彩色条段。这里，热力学第二定律完全失去了效用。

        如果按热力学第二定律，从混乱到有序增加了负熵。这个熵是哪里来的呢？是否是由于三棱镜变冷了才使它们区分开了呢？事实告诉人们三棱镜并没有变冷，否则这倒是一种制造低温的好方法。那么从无序到有序是怎么产生的呢？关键是有序和无序是描述物质与物质之间关系，而热力学第二定律是描述“实能量”传递规律，这是两个具有完全不同本质的物理量，二者不能混为一谈。

        ※实能量指实体，即具有质量的物质所具有的能。按统计力学，热是分子所具有的动能的统计平均值。

        其实，有序与无序并不以热力学第二定律为依据，正如W・R・艾什比所说：变异度的衰减（熵的增加）的确切表述是“随着时间的推移，这一批状态的变异度不能增加，而常常只会减少。”这就是说，我们常说的“任何系统，如果不去管它，随它要怎样就让它怎么样，自然总会达到平衡状态。这种思想往往是凭经验得来。但并不完善，因为其中并未恰当地规定条件。有时我们用热力学第二定律来作为依据，但这往往和所讨论的系统不相干。”

        有序与无序同能量没有必然的联系，三相共点的水，可以是极端无序的汽，可以是混乱流动的水，可以是排列整齐的冰晶。三者相互转化完全不需要能量。这再一次说明，有序与无序、热熵与信息熵完全不是一码事。

        热力学第二定律的统计意义是和粒子（分子）的动能的统计性相关的。对以场的形式存在的能量，热力学第二定律并不成立。在这里显然划定了热力学第二定律应用的边界。

（二）有序与无序是主观对系统状态的表述

        有序与无序作为物质与物质之间的关系的抽象表述是一个主观的量。

        正如N・维纳所说：“随着熵的增加，宇宙以及宇宙中的一切封闭系统就会自然地退化。”这里从“实热能”的传递的有向性来说当然是规律、是对的。但他接着说的：“失去可分辨性，从最小可能状态趋向最大可能状态，从存在着各种差异状态和各种形式的有区别、有组织状态，趋向于混沌的无差别状态”那就不见得对了，因为这里的有序与无序是指的信息熵。首先“失去可分辨性”的意义是什么？是不清的。是谁的可分性？显然是“人”的可分辨性。

        人是主观的，是受认识水平、认识能力的局限的，不同的人就有不同的可分辨能力。色盲把色盲测试卡看成一片混沌不清的图案，可是正常的人就能很容易地认出花纹和字迹。同样的一片测试卡到底是混乱的呢？还是有序的呢？有序与无序，清晰与混乱原来是和分辨能力有关。所以，应当说，在一定的分辨能力下，差异（变异度）传输即可传递信息。差异才能表示有序与无序，混乱与清晰。

        至于“有些宇宙学家认为大多数时间不对称过程都可以看成是破坏次序的趋势，用最普通的形式来表述时间不对称定律，那就是宇宙每天都稍稍变得更加无序”的说法，对于有序的起源就更加是一个谜了。

        最初的有序似乎是上帝的安排。什么是有序？什么是无序？有序之源在哪里？用这种观点解释世界，生命的起源就构成了一个永远揭不开的谜。其实有序与无序完全是主观对客观系统状态的表述。高山可以蚀平，但地动可以造山，是“平”算有序呢？还是高山算有序？

（三）生命的有序性如果是吸收能量造成的，则一个卵细胞的“能量”要远远超过一个氢弹所蓄的能量

        生命机体的“有序性”，“组织程度”的实质是表示机体各组成部分之间的相互关系，当然可以用信息量来衡量，现代科学的辨识手段证明象一个血清蛋白那么大的蛋白质，它是由600多个氨基酸分子所组成的，那么，可能有的排列方式就是10^600种，这个数目就是1后加600个零。这个数字简直无法想象，它比宇宙中的亚原子粒子的数目还多得多。而每一种排布的机率如果均相等的情况下他的信息熵值如：

        H=log2  10^600=1381.55比特

        如果水分子是可区分的，一立方厘米的冰晶，所能出现的排布方式要远远超出10^600种，它的熵值就能成为无法想象的数字。

        现代生物学已经证明，生物一生发展的全部信息，包括受伤的伤口愈合之类的过程，已经全部集结在眼睛都很难看到的受精卵细胞之中。在无性繁殖中一个细胞就能发育成完整的生命机体，可见一个细胞就蕴含了生命机体的成长，发育的全部信息。如果要把信息量和能量联接在一起，尽管—比特信息所需要的能量再少，一个受精卵细胞也要远远超过一个氢弹在爆炸时所放出的能量。

        可见，N・维纳把信息和能量不加区别联系在一起是多么的错误。由此可见，“宇宙寂灭（热熵增大）时与存在相反的局部有序增加的小岛。在这类小岛上，生命找到了安身之处，”之间显然没有必然的联系。

（四）N.维纳的苦恼

        把信息熵和热熵混合起来，把热熵单向增加和有序到无一定也是单向地前进等同起来，是完全不能成立的。有序与无序同能量的散与能量的聚一样是辩证的统一。

        这种把信息熵和热熵混同起来，使N・维纳非常苦恼，他说：“要求对熵下一个最后明确的定义使人人都同意，而又不限于封闭的孤立系统，那是过高的奢望。”把信息熵和热力学的熵混同起来，对于熵是谁也给不出一个定义来的。

        信息熵与热熵是两个应用于不同领域的范畴。能量的传递与转化不能决定物质与物质之间的有序与无序，以及系统状态的组成程度。能量可以使原来有序系统变成无序系统，一切起破坏作用的能量就是使系统从有序到无序。原子弹爆炸失去了内能，不但使原子弹这样一个高度有序的系统变成无序，而且使它所破坏的任何系统从有序到无序;晶格排布整齐的有序晶体，通过加热输入能量可以使它变成无序的液体，甚至气体。

        而一切建筑施工所消耗的能量都能使无组织性的原料变成有组织性的产品，砖瓦木料钢筋水泥…通过施工输入能量可以变成高楼、大厦、铁路、桥梁……。可见，无序和有序与能量的输入无关与热力学的熵根本不是一码事。

（五）有序之源

        通过上面的分析可知，能量与有序没有必然的联系。既然系统的能量输入与系统的有序性没有必然的联系，那么有序之源在哪里呢？不解决这个问题，生命起源问题的解决就成了泡影，这是维纳的苦恼。正是这个苦恼使他走上了控制论的研究，走上了创造的道路。正如他自己所说，“控制论这门新科学就是以这个观点（研究有序增加）为核心发展起来的。”这种研究使他的思想越来越清晰，并最终找到了有序之源。

        无序与有序作为信息的定性表述，它的产生和消灭是对立的统一，“无序是有序之源，有序是无序之象。”这就是N・维纳自己晚期著作中表述得不很明确的结论。如N・维纳在1961年发表的《关于学习与自生殖机》这篇论文中写到，“请注意，真空管噪声某种意义上可以说是一种万全的输入，因为在一段足够长的时间内，它的起伏迟早总可以去近似任何给定的曲线。”

        在这里，噪声是极度混乱和无序的，可N・维纳经过多年的研究，尤其是在想解开“自生殖”之谜时，也就是探索有序之源时，认识到并且请大家注意，噪声是神通广大的。“噪声”神通广大到能成为一种“万全”的输入。为什么是“万全”的输入呢？因为它可以产生“任何给定的曲线”，虽然还留了一个小尾巴——近似，但在洪荒宇宙中哪里有完全相同的两个事物呢？可见，这个“近似”的小尾巴也可以割掉，就是说，噪声能产生任何给定曲线。

        这里遵循的是什么规律呢？原来是：“噪声和任何他种形式的变异度（信息）并没有本质区别。”噪声（无序）变成万全输入（包含了所有的有序，不然怎么能“自生殖”呢？）产生（过滤出）任何给定的有序。简言之：无序产生有序。这不正说明无序是有序之源吗？在这里维纳在探求“自生殖”问题中终于指出了“无序是有序之源”这一真理。有序是无序之象也就从而得到了解决。

        这就是他认识到的无数个有序构成了“万全的输入”，万全中的每一个正是有序的给定的曲线在这里无序向有序的转化不再需要能量了，是维纳把能量的输入不知不觉地抛到一边去了。噪声成了他的“万全的”信息的负熵流。

        维纳在几十年前的这一天才思想，当时并没有引起人们很大的注意，在人们对有序、无序、混沌等进行了长期的探索后才发现“混沌是非常普遍的自然现象，但它决不是简单的无序，而更象是不具备周期性和其它明显对称的有序态。可以说自然界中存在着有理序，（周期性）无理序（非周期性）和混沌序（内在随机性），而混沌序可能比前两者更高级。”这就是现代研究对我们的结论的有力说明。

（六）全信息理论是生命起源的又一理论基础

        在全信息理论中，我们已经分析了宇宙中的每一点都包含了无限的信息，这种无限的信息就是N・维纳所说的“万全”的信息源。

        “噪声”如果在空间的某一点不存在“纽约的歌声”，无线电天线放在那一点怎么能收听得到呢？在这里不是从无序的混乱到有序的“歌声”需要能量，而是无线电接收机需要能量供给才能工作，从而选出有序曲线“纽约歌声”，锅炉输入的能量再大也不能把空中一点存在的“纽约的歌声”选择出来。

        在《关于学习与自生殖机》一篇论文的科学实践中，维纳终于用实践和科学经验自觉不自觉地反驳和纠正了自己把信息熵和热熵混同起来的理论错误。说明生命不是什么宇宙热寂时留下幸存的负熵（有序）的小岛。

        生命是通过一种自生殖机构从无序到有序完成的一种物质特殊的存在方式。它的有序性和有组织程度是物质运动、变化与发展的产物。如果机械地说生命的组织程度是从无序——万全的有序输入经过大自然这个选择器产生的有序（一种“给定”的具有生命特征的“曲线”），那么这一选择过程（用艾什比的高超分析得到的结论）就是大自然这个万能的亘古存在的调节器（选择器）创造（设计创造）的过程。