首页 -> 2006年第4期
思维创新热力学研究
作者：李青山 杨秀珍 张淑媛
[关键词]思维创新，创造力，热力学，势垒，能量差。
[中图分类号]B804.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2006)04-0283-06
0引言
胡锦涛在全国科学技术大会上的讲话指出：“动员全党全社会坚持走中国特色自主创新道路，为建设创新型国家而努力奋斗，进一步开创全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化的新局面。”如何“提高全民科学素质建设创新型国家”。这是21世纪中国人面临的艰巨任务，要完成这个目标就要深入的研究创造、创新、创业教育理论[1~3]，研究思维创新。
思维是对客观事物的反映，揭示事物的本质和事物之间的规律性特征。辩证唯物论告诉我们，人们对客观事物的认识，第一步是接触外界事物，产生感觉、知觉和印象，这属于感性认识阶段[4]；第二步是将综合感觉的材料加以整理和改造，逐渐把握事物的本质、规律，产生认识过程的飞跃，进而构成判断和推理，这后于理性认识阶段。笔者所说的思维指的就是这一阶段。间接性、概括性和超越性是思维的本质属性。
思维的间接性是通过思维过程，可以根据已知的信息推断出没有直接观察到的事物；思维的概括性[5]，是对思维反映的事物之间固有的必然的联系；思维的超越性，是指思维能够超越具体的时间和空间，能够超越具体的客观事物。思维不仅影响主体深刻地认识世界，而且还能够创造新的思想产品，能动地改造客观世界。
思维研究对实践也会产生深远的影响。创新性是创造性思维的充分必要条件，凡具有创新性的思维活动都是创造性思维；凡不具有创新性的思维活动都不是创造性思维[6]。思维创新学的研究主体——人有正确的思维创新方法，拥有较全面的理解认知能力[7]。从事计划和管理的工作人员，懂得了人类思维的特点，可以采取措施避免出现大的失误；科技人员懂得自己的思维特点，拥有独特的思维方式，可以制定出科研方案，帮助自己的研究和设计；教师懂得了学生思维发展的特点，在教学中科学地训练学生的思维，提高了学生的分析问题、解决问题的能力。全社会的成员学会了正确的思维规则和思维创新方法，就能提高素质，实现建立自主创新固定的目标。
为了深入研究思维创新的过程，笔者提出思维创新的概念并从热力学、生物进化论及脑科学方面来认识和理解思维创新的整个过程。
1思维的萌芽——熵（Entropy）的意义
人为什么会死？这是一个意义很深的问题。“人自从生下来开始必然会死亡的”也有人会这么回答。“当整个世界被热力学第二定律这样一个指向死亡和毁灭的法则所支配时，怎样可能去理解生命呢？”1922 年，瑞士物理学家CE格埃在《物理化学的进化》中提出了这个世纪难题。
人在生存的那段时间的大脑、内脏、肌肉等处于一种非常高度化机能的程序化、规则化的状态。这样的状态在热力学上看来是一种熵（S），熵是热力学第二定律引进的一个基本状态函数，是物理化学上用来表示某个体系混乱程度的量。它可以作为孤立系统过程进行方向和限度以及该系统是否处于平衡态的判据，在一定条件下还可以表示某一个宏观状态出现可能性的大小。熵在希腊文里表示“变化”[8]。人的一生是一个非可逆开放体系，所以人内部的熵同时间一起增加，但绝对不会减少。熵慢慢地变大，逐渐达到最大值Smax 。熵最初是没有规则性、秩序性的平衡状态，即人的死亡的状态。关于死亡最早是大脑、内脏失去规则性，而只不过是一种单一的C.H.O等体系。因为有这样熵的规则，所以人生下来之后一定会死。在这种意义之下，稍深一些想一想人的生和死。人以非可逆开放体系而生存下去，不断地从外部吸收物质和能量，又以新陈代谢的方式排出体外。这样既流进又流出的能量不是单以改变形状流动而生产或消减的。熵是一种新生成出来的东西。因此为了保持更长的寿命很有必要维持正常的状态。死是一种平衡状态。生是一种正常状态，是一种开放体系的常数。两者有下列这样的基本相似点。
在这里是F自由能， ds/dt是熵增加的速度。这样的生命会把熵的生成速度最小化而极力防止人达到熵的最大值Smax，即死的情况。也就是人生命停止时，熵达到最大值Smax，而自由能达到最小值Fmin，趋近于零。当F=Fmin并趋于零时，人的思考与思维将完全终止。
若要维持和发展生命就必需使其熵变等于或小于零。而“熵产生”总是大于或等于零的，因此，只有当“熵流”小于或等于零时才可以达到。如果有条件能使“负熵流”变大，生物体系的熵变控制在零以下，那么这个体系将更有次序、更有组织,才能保证生物个体的生存和种群的进化。反之，如果把生物孤立起来不与外界发生联系，“负熵流”没有来源，熵的产生越积越多，生物生长、发育、繁殖的信息就越趋混乱，终将导致生物死亡。
生命体实际上是从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量[9]，把它们转化为高熵状态后排出体外，从而保持了自身的熵处于比环境较低的水平。
从热力学第二定律得知，一个封闭系统的熵只增加不减少。1865年克劳修斯提出并证明熵增加原理，表述为“孤立系统中的可逆过程其熵不变，不可逆过程其熵增加，孤立系统中不可逆过程总是朝着熵增加的方向进行，直达到熵的最大值[10~14]”，这样熵增加原理用数量关系表示出热现象中不可逆过程进行的方向和限度。克劳修斯还指出，若，则过程是可能的，而且是一自发过程；若，则过程是不可能的。因此熵增加原理描述的是不可逆过程。由此可知生命系统必须是个开放系统，它一面不断向体外排熵，一面从外界汲取低熵的物质，以形成负熵流。生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到“负熵”。有机体是依赖负熵为生的，此即生命的热力学基础。笔者把有机体的生命过程归结为如下图解。如图1，有机体与周围环境之间不断地进行着物质与能量的交换，并维持着低熵的状态，这要求摄入的是低熵物质，如碳水化合物、净液态水，排出的是高熵物质，如CO2 、尿、汗和其它排泄物。
在有机体中，同时存在两种对立的倾向：正熵导致衰退和死亡，负熵导致发展和进化[15]。熵减与熵增并存，进化与退化同在。在某个特定的时期两类熵的增加和减少中，占主导地位的倾向便决定它演变的趋势。两种倾向的竞争演绎出丰富多彩的生命现象和它的进化历程。
2思维的主体——负熵的概念
早在1860年玻耳兹曼就说过：“生命为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。”1944年奥地利薛定谔用热力学和量子力学解释生命本质，开拓了研究生命现象的一条新途径，他首次提出“生命赖负熵而生”的名言，引导人们摆脱物质、能量等概念的束缚，深入认识生命的本质。1944年布里渊也深入讨论了生命与热力学第二定律的关系，他提出，对于生物首先要有一不稳定平衡的创造物，然后是所有生物对储存负熵资源的使用；其次生命机体是一个处在不稳定平衡的化学系统，“生命力”本身表现为一种负催化剂等。
1943年奥地利理论物理学家、量子力学理论的创始人之一薛定谔在都柏林三一学院所作的讲演中首次利用热力学和量子力学理论来解释生命的本质，提出了负熵的概念[16]，并与生物的生长和进化建立关系。在回答诸如“生命的特征是什么？一块物质什么时候可以说是活着的？”这类问题时，他指出：“一个生命有机体的熵是不可逆地增加的，并趋于接近最大值的危险状态，那就是死亡。生命体作为一个非平衡的开放系统要摆脱死亡，从物理学观点看，唯一的办法就是从环境中不断汲取负熵来抵消自身的熵增加，有机体是赖负熵为生的。更确切地说，新陈代谢中本质的东西，乃是使有机体成功地消除当自身活着的时候不得不产生的全部的熵，从而使其自身维持在一个稳定而又很低的熵的水平上。”因为熵是无序性的量度[17]，所以负熵是有序性的量度，在此意义上说，生命体维持生命而从外界汲取的是“秩序”。