论系统的质量与能量


饶晓峰

raofeng@pub.wx.jsinfo.net

2002,11公布于潜科学网站( http://potentialscience.org )

 

文章搞要:本文应用辩证对应的思维方法,一步步地扩展质量与能量的概念,从惯性质量到凝聚性质量,到熵质量再到系统质量;从振动性能量到弥散性能量,到熵能量再到系统能量。揭示了质量与能量之间的一一对应性。还着重揭示了物体的机械运动,与系统的结构运动之间的一一对应性。 

1 惯性质量,凝聚性质量与引力质量的概念及关系。

 告诉你质量这个词,你能格物致知,知道什么呢?首先你应想到质量的概念,就是力求运动状态不变的惯性量度——惯性质量,还想到质量具有凝聚性,即将自身凝聚成一个整体的能力的量度。质量等于体积乘密度,这个质量概念就表示疑聚性质量,所谓的物质密度是指单位质量相互凝聚的程度,所谓体积就是凝聚起来的空间范围。凝聚性质量就等于凝聚起来成为一个整体的单位质量的数量。当单位质量还没有凝聚成一个整体,那么这个以单位质量为元素的系统,就还没有凝聚性的质量,力作用到这样的相对弥散的系统上,由于系统还不成为一个整体,所以没有整体上的速度变化。也没有整体上的惯性质量。凝聚性质量与惯性质量都是对整体性的物质系统而言的。当外界力作用到整体性的系统质量上时,凝聚性质量就表现出凝聚统一的本能,是它将力物质从自身的受力部位快速地均匀地分布到质量体的各个部位上,使得单位质量上分布到的力量或称动量(单位质量上的力量或动量就是速度)相等。这样质量体的各部分就表现出统一的速度,显然凝聚性质量越大,单位质量的数量越多,单位质量上分到的力量就越少,物体的速度就越小(如果物体受力前是相对静止的话)或物体加速度越小。而惯性质量越大,物体受力作用所产生的加速度也越小。由此可见这惯性质量就等于凝聚性质量。所谓的惯性质量实际上就是凝聚性质量在运动上的表现。当系统成了整体,才有整体上的运动,也才有整体与外在物质的相互作用,凝聚性质量在运动上表现为惯性质量,在对外作用上表现为什么呢?这就表现为引力质量。所谓引力质量就是产生万有引力的质量。为什么说引力质量表现凝聚性质量呢?道理很简单,因为万有引力就是凝聚力,产生万有引力的引力质量本身就有将自身与别的质量体凝聚统一在一起的本能。对于天体这样的系统,将自身凝聚成整体的能力直接就来自其组成元素的万有引力。

想完了质量的实质内容,就要想想它的对立面,即外在形式,充分发挥悟性,格具体的质量之物而知,就觉得质量具有实体性,确定性,清楚性的样子。实体性的质量是占据空间位点的,也呈现出空间的体积,所以空间是表现质量的形式。形式与内容具有同一性,质量的力求不变性就是其确定性形象的内容,质量的凝聚性就是其实体性,清楚性,空间性形象的内容。 

2  振动性能量,弥散性能量与振动的迭加之概念与关系 

想完了质量,就可以想想质量的对立面——能量。既然质量与能量对立,那么质量有力求不变性,能量就有力求变化性,质量具有凝聚性,那么能量就具有弥散性。这种对立推演是不是合乎实际呢,那就找个能量的东西来想一想。一个质量体没有外界作用,那它是静止不动的,一个能量体呢,没有外界作用,它本身就动,振动就是能量体最基本的运动形式,也是能量体最基本的存在形式。对于能量体来讲,存在就意味着运动。而对质量体来讲,存在就意味着凝聚。质量体的凝聚就对应能量体的振动。质量体的凝聚密度对应能量体振动的速度,质量体凝聚的体积,对应能量体振动的周期,质量体的凝聚性质量就对应能量体振动性能量,凝聚性质量等于物质平均的密度与体积的乘积,于是振动性能量就应等于振动的平均速度(速率)与周期的乘积。很显然这个振动性能量实际上就是能量体振幅的概念,它等于最大振幅的四倍。质量体在运动变化时就表现出它的惯性,而能量体在运动变化时就表现出它的波动性或者说弥散性。质量体的惯性质量等于凝聚性质量,能量体的弥散性能量是什么概念呢?就是波长的概念,波长等于波速乘周期。对于在介质上传播的机械波,由于介质的影响,波速是不会等于振动速度的,于是弥散性能量也不等于振动性能量。然而对于在真空中传播的物质波(它与质量体是严格对称的,而在介质上传播的机械波则与质量体不严格对称)来讲,这两种能量应当是相等的。比如光子,由电场变为磁场的振荡速度应当还是光速即光的传播速度,波动速度应当是振动速度在运动上的表现形式。两个质量体遇到一起,便会有相互的凝聚性,两个能量体遇到一起呢?则会有相互的振动性,即振动会迭加,会形成共振部分,万有引力的大小与两质量体的引力质量之乘积成正比,而两个振动相互振动的部份则也取决于两个振动的振幅之乘积。质量可以稳定地处在一个空间位置上,并有清楚的确定的体积形态,其运动也是在确定的一个方向上的运动,能量呢?处在平面介质上的振动,绝对是要向空间各个方向传播开来的,或者说弥散开来的,弥散东西自然不清楚,也不存在空间上的确定性的体积形态。想想引力场,电磁场这些能量体,对人来讲就是如此地不清楚以致都感觉不到它。其空间分布是趋于无穷远,没有一个确定的广延性。再想想时间,发现它也是一种让人摸不着不见的东西,而能量的运动变化,充分体现出时间的节奏,这表现在振动的频率或周期上。于是空间不是表现能量的形式,与空间对立的时间则是表现能量的形式。于是能量就具有不清楚,不确定,时间性的外在形式。 

3 力、信息、质量与能量的相互关系 

想完了能量与质量的关系,还可以延伸开来想,以致想到力。力是什么,力当然是客观实在的物质,那么它是属于能量性的物质还是属于质量性的物质呢?由于力能使质量体产生加速度,即产生变化,所以力显然是能量性的物质,是属于由能量性的物质发出的充当相互作用媒介的物质,力之源通常是大大的能量体。谈到相互作用的媒介,除了力还有信息,那么信息是什么呢?信息当然是客观实在的物质,那么它是属于质量性的物质还是属于能量性的物质呢?由于信息能使其作用的对象变得确定,变得清楚,而确定、清楚是质量的形式,所以信息是属于质量性的物质,是属于由质量性的物质发出的充当相互作用的媒介物质,信息之源通常是大大的质量体。比如人的大脑是信息源,DNA是信息源。社会中枢机构是信息源,这些信息源就是属于本质性的质量体。

明确了这些,我们还可以进一步讨论力与质量,信息与能量的关系。力与质量的关系是很明确的,牛顿第二定律就是说明这种关系,信息与能量的关系显然是一个新的课题。我们还是从实际出发来探讨这个课题。人的思维运动,肯定不是质量性的机械运动了,而应当是能量性的波动。人的思维速度(即转念头的速度或称意念速度)就象光速一样应当是一个恒定的值。一个人思维的快慢实际上是由他的思维频率来衡量的,思维频率或思维节奏快的人通常被认为脑子灵活。思维速度恒定,思维频率就与思维波的波长成反比。于是思维波波长大的人,脑子就不灵活。波长这个概念就是弥散性能量的概念,是与惯性质量相对应的概念。惯性质量越大,力作用之产生的加速度就越小,弥散性能量越大,信息作用之产生的确定性就越小。于是一个思维波波长大的人,在学习知识的时候,是很难学进去的,思维波长大通俗地讲就是思维很焕散,这样的人学习知识时,知识要为他理解,就要克服更大的能量焕散性。不容易接受知识,思维不能凝聚到知识的意义上来,显然是属于脑子不智慧的表现。不过人的思维波不是恒定的波,其波长会变化的,当人用意志使自已的心静下来时,思维波的波长会变小,而当人情绪使脑子乱纷纷的时候,思维波的波长就会变大,但这种变化也不是有无限的范围,人确定下来了,他的智慧就有一个通常的值,具体表现出来的智慧是围绕着这个通常的值上下浮动的。 

4熵质量与负熵能量,熵能量与负熵信息 

当一个系统不是一个整体,而是一个在外力作用下其组成元素会发生相对运动的群体,那么这个群体就没有群体水平上的凝聚性质量。但有一个准凝聚性质量,一个力求群体内部不发生相对运动,处在无差异状态的质量,无差异状态就是熵最大的状态,于是这个力求熵最大的准凝聚性质量,不妨称着熵质量。考虑一个恒星,对外在的机械力(比如别的恒星发出的万有引力)所引起的运动,恒星各组成元素是不存在运动上的差异的,它们是作为一个统一的整体,有统一的速度(注意:恒星内部各元素——原子是有相对运动的,但这相对运动是属于热运动,不是外在机械力所引起的运动)。导致速度统一的原因是恒星有凝聚性的质量。凝聚性质量与熵质量一样都会力求体系各部分运动上无差异,但两者有一个很大的区别,在对外力开放的情况下,熵质量无法使体系内部处于完全均匀化的状态,但凝聚性质量则能使体系内部没有相对的运动。可以说凝聚性质量是熵质量的成熟形式,就如整体系统是群体系统的成熟形式一样。

对于外在的机械力来讲,恒星是整体系统,而很弥散的星云则是群体系统。整体的恒星系统适应了机械力,于是对机械力(充当天体机械力的客观实在是什么?我们认为除了外在的引力子外,还可能有外在的中微子)开放,不会导致内部的差异,而群体星云系统,机械的作用力就不是作用到它的整体上的,而是作用到它的各个部分,于是非整体性的星云对机械力开放,就会有内部运动上的差异。然而对热流来讲,对于恒星本身引力收缩而激发出来的热流来讲,恒星系统就不是一个整体系统,只要对热流开放,恒星内部就会有温差存在,就会有相对的热运动存在。一块物体,对外在的机械力来讲,也是整体系统,力作用之不会使物体内部产生相对的运动,但对外在的热流来讲,物体与恒星一样也是群体系统。对于这种相对的热运动,物体或恒星就有一个力求消除温差的熵质量,不过这个熵质量不是前面说的那个针对机械力来讲的熵质量,而是针对热流来讲的熵质量。针对机械力来讲的熵质量,确切地说应称着机械性的熵质量。

与熵质量直接对应的能量就是负熵能量,熵质量是力求消除体系各元素在分布上在运动上的差异,而负熵能量就是体系内这些差异的制造者。最简单的负熵能量就是作用在一个没有稳定联系但存在机械碰撞的物质体系各个组成部分上的力流,如果这个物质体系各个部分有了稳定的联系,那么力流就不再是负熵能量,而是使物质获得整体运动动能的能量。对于有着整体性的机械物,其基本的负熵能量则是热流。所谓负熵能量,实际上就是作用到系统空间结构上的力量.

与熵质量完全对称的能量则是熵能量。群体系统元素之间的差异消除是通过元素间相互作用实现的,于是熵质量取决于群体系统各元素相互作用的频率,这样看来熵质量反而是有点能量性的味道。熵能量就是力求系统不被有效地组织起来,力求处于相对弥散的无序状态的本能量度。实际上就是弥散的、没有有序(或相对有序)组织的系统,其元素数量上的总和。因为我们要将一个相对无序的系统组织成有序的系统,就要对这个系统输入信息,显然系统的元素数量越多,要将它们有效地组织起来就越难,输入的信息量必定越多。于是熵能量反而是有点质量性的味着。关于熵能量概念的实例,可以在人类世界找到很多,比如一个知识体系,其基本概念越多,也即知识元素越多,要将这个知识体系严密地建立起来,就越要费思维能力的组织,这知识元素的数量就是知识体系的熵能量。再如一个商品,构成这个商品的原材料越多,那么要将它们组织成商品费的劳动能力就越大。这商品原材料的物质数量就是商品体系的熵能量。与熵能量直接对应的信息就是负熵信息。人的思维能力与劳动能力实际上都是属于信息性的力,都是负熵信息,人的劳动能力越大,意味着劳动中表现的科技信息越高。思维能力越高意味着人思维时所含的知识水平越高。所谓负熵信息实际上就是作用到系统空间上的信息 。在自然界,也是存在熵能量负熵信息的例子,比如组成星云的原子或分子的数量,就是负熵能量,而星云中心的星胚,就是星云体系的组织者,来自星胚的引力场就含有将星云物质组织或称凝聚成恒星的信息(只是这信息不明显罢)。显然星云的物质量越大,也即熵能量越大,星胚就要有更强的引力场才能将星云凝聚成恒星。 

5 机械质量与系统质量,机械能量与系统能量 

其实我们上述谈的质量概念是狭义的质量概念,都是属于机械性的质量概念基础性的质量概念,是对应机械力,机械运动,万有引力这样基础性作用,基础性运动的质量。机械的质量之核心是凝聚性质量,惯性质量是凝聚性质量在运动上的表现形式,引力质量则是凝聚性质量在相互作用上的表现形式,而熵质量则是准凝聚性质量,当体系适应了机械力成了一个整体,比如星云凝聚成了恒星,机械性的熵质量就有了无穷大的均匀化能力,就能将机械力在忽略不计的时间内,均匀地分布到恒星的各个部份。也就转变成了凝聚性质量。

运动与相互作用形式是多种多样,有机械运动,也有热运动,有化学运动也有人类的活动及人类社会的运动。有物体间的动量(也就是机械力量)的交流,也有人际间商品的交流,有机械质量体之间的万有引力,也有将人类社会凝聚成社会的人性引力。物质存在、运动与相互作用是不可分割的,是一一对应的。既然自然界存在高级的运动高级的能量,高级的相互作用,那也就有高级的质量概念。高级与低级与全息性,于是高级质量也有凝聚性质量,惯性质量,引力质量,熵质量之分别。高级的质量就称着系统质量。

比如人,就有人性,大人的人性要比小孩的人性强,精神正常的人要比精神不正常的人的人性强,人性就是人的凝聚性质量,人性在人的行为运动上就表现为人的保守性,所谓保守性就是力求人的行为方式,行为程度不发生变化的惯性。于是保守性就是人的惯性质量。人与人之间之所以会结成生产关系,是因为人性在相互作用方面表现出人的引力性,正是人的引力性使人聚集在一起,才有了人类的社会。人类社会的经济体系,主要处于私有制加市场经济阶段,没有凝聚成一个整体,所以这个体系就有熵质量——对于物质财富流的熵质量。它力求社会成员经济地位平等,贫富均匀。

变化性的机械能量表现为机械之物的振动上,变化性的系统能量就表现为系统之物的振动上。生命的新陈代谢就是一种系统振动。同化作用与异化作用交替地进行着。体力输出与食物输入交替地进行着。生命代谢越旺盛,其振幅就越大,变化性的系统能量就越大。弥散性的机械能量表现为机械振动传播时的波动上,是用机械波的波长来表示的,生命系统的新陈代谢,就会导致生命活动,生命活动其实就是生命波动,生命活动的空间范围的大小就是生命波波长的概念。生命活动波的迭加则表现在不同生命活动空间的可重迭上。生命活动波是通过生命本身运动所传导的波,与机械振动靠媒质传递形成的波,显然不同,所以生命波与机械波的可类比性不强,然则基本粒子的物质波也是粒子本身运动所形成的波,这就意味着生命活动波与粒子物质波有很大的可比性,生命波相当于粒子的德布罗意波,生命活动的空间范围就相当于德布罗意波的波束。 

6  围绕惯性质量的动力与围绕熵质量的热力学之间的类比研究 

对于低等的机械物体,我们主要研究其整体上的受力运动,惯性质量是主角。对于高等的系统,我们则主要研究系统内部结构的演变,研究群体系统向整体系统演变的过程。于是熵质量是主角。惯性质量是力求物体系统在功能运动上保持均匀不变状态的本能量度,功能运动的过程是一个时间过程,即惯性质量是力求物体在时间过程中其分布其运动均匀无差异,比如有时间点A,时间点B,惯性质量就是力求物体在时间点A与时间点B都出现,并且都显示一样的运动速度。惯性质量是力求物体在其时间过程中无差异,熵质量则是力求体系在体系空间上没有差异,物质分布上均匀,运动上也均匀。于是很容易看出惯性质量是属于物体功能运动方面的质量,而熵质量是属于体系结构分布上的质量。将惯性质量称着功能质量,体系质量就是结构质量。功能与结构是对矛盾,有差异性,也有同一性。这就意味着惯性质量与熵质量之间是有同一性的,是有可类比性的,动力学与热力学是可以类比研究的。

物体时间运动上的演变对应(或称类比于)体系空间分布上的演变,物体的惯性质量对应体系的熵质量,导致物体时间运动演变的力对应导致体系空间分布演变的能量流。物体运动的变化程度——加速度就对应,体系分布上的差异度,物体运动的速度就对应体系能量或物质在分布上的密度。牛顿第一定律,说的是物体不与外界作用,就达到且维持时间上的无差异状态,热力学第二定律说得是,体系不与外界作用,就达到且维持空间上的无差异状态。显见这热力学第二定律就对应牛顿第一定律。不过物质无法绝对孤立,无法绝对不与外界没有作用,于是牛顿第一定律也描述一种相互作用的平衡态即,物体受力平衡也处在时间上无差异的状态。那么与牛顿第一定律对应的热力学第二定律是否也说明一种相互作用的平衡态呢?(看看辩证对应思维是多么能发现推演新问题的,在发现新问题方面是远比数学思维强)当一个体系完成了它的演变,完全适应了环境(即与环境达到了平衡),以致这个体系凝聚成了一个整体,那么这个整体内部也没有差异,因为整体的各元素是如此紧密地联系在一起,难以分出彼此了。所以热力学第二定律也表明这样的一种情形,即当体系完全适应了环境,以致体系成了一个整体,那么这个整体内部没有差异。这很有意思,是谓物极至反,体系完全脱离环境(也就是完全不适应环境),内部无差异,体系完全适应环境,内部也无差异。比如社会体系,如果不发展生产,不努力向自然界开放,大家都很贫穷,那么就没有什么贫富差异,如果社会很努力地生产,生产力很高,以致生产关系很紧密,成了公有制,那么社会成员也没有多大的贫富差异。现代系统论所描述的高度整体化的混沌体系,就是我们这里说的完全适应态。系统的完全适应态,其熵值也最大。

谈完了牛顿第一定律与热力学第二定律的对应性或同一性,自然就会想到牛顿第二定律,可惜热力学中还没有一个与牛顿第二定律对应同一的现成定律,那么就让我们来创立一个对应牛顿第二定律的热力学定律吧(我想数学思维是绝对没有这种能力想到还有一个对应牛顿第二定律的热力学定律)想一个长条的传热性的棒子,一头加热,另一头就自然,假设热量不散布出去,那么我们来考虑一下这个棒子的温度分布情形及其关系。显然加热的强度越大,棒子两端的温差会越大,而棒子越长,两端的温差也会越大,再有棒子的传热性差,棒子两端的温差也会越大,于是棒子两端的温差(即热量密度之差)是与加热的力流大小成正比,与棒子的长度成正比,与棒子传热性成反比。这里的温差就对应动力学中的速度变化,棒子的长度就对应物体加速的时间,力流的大小对应动力学中的作用力之大小,而传热性就代表熵质量,对应物体的惯性。上述规律就对应牛顿第二定律。用P表示力流,M表示熵质量,△V表示密度差,D表示空间的大小,便有规律:P=MV/D 成立。

牛顿第二定律在自然界很能应用,我们的这个热力学上的牛顿第二定律,在人类社会上也很能应用。生产力越强就意味着人类对自然界开放程度越大,作为力流的财富流就越大,社会的贫富差异就代表财富密度差,生产力越大,社会贫富差异就越大,社会人际关系的粘性越大(中国社会人际关系的粘性就大于西方国家),对物质财富的传导性越大,社会的熵质量就越大,就越能阻碍贫富差异的拉大。社会人口分布的空间越大,贫富差异也会越大。按照这个牛顿第二定律是不是也很能反映当今社会的实际情况?中国,人际之间关粘性大,人们不患贫而患不均,这就使得传导物质财富的熵质量较大,于是中国的贫富差异是较难拉大的。

继续下去,自然就要谈到相对论,动力学上的低速区相当于热力学上的近平衡态,动力学上的近光速区就相当于热力学上的远离平衡态了,光速是速度增加的临界点,趋于这个临界点,物体速度就很难再增加了,动质量就会明显增大,物体的空间尺寸就会明显收缩。在热力学上,体系的演变也有一个相应的临界点,体系趋于这个临界点,内部的差异就不能再大了,那些优先获得力流或称负熵的元素,其能量密度就不能再增加了。比如中国现实的经济体系,就趋于这样的临界点,先富起来的人已富得不能再富了,贫富差异已大到不能再大了,富人们够富了,不再深入的消费,穷人们没有钱,无法消费,所以再输入物质财富这个负熵,经济体系就无法承受,就会通贷紧缩,就会发生商品卖不出去的经济危机。这经济危机就意味经济体系的质变。质变有质的崩溃与质的进化两种道路,如果经济体系是发生质的进化,那就走上了合乎相对论规律的道路。经济体系的质进意味着什么呢?意味着,私有制要变成公有制,市场经济要变成计划经济,意味着经济体系要发生收缩或集中。意味着那些卖不出去的商品被用来改善或凝聚社会的生产关系,用来带动更多的人富裕,如果资本家能带动更多的人富,那么他们的私有企业,也就成了实际上的公有企业,而后富起来的大多数人,也必定会拥护这些红色的资本家,他们私有企业也必定会有更大的凝聚性。

普里高津先生所描述的耗散结构,及哈肯先生所描述的协同系统,都是属于临界质变时,体系走向质的进化,以致合上相对论规律的系统,无论是贝纳德花纹还是激光系统,都高度凝聚起来,作整体化的有组织的运动,都是体系动质量的表现形式。 

7小结

上述对质量与能量概念的推演看起来还是没有数学推导那么简明,那么我们就将之变得简明些,我们可以以写科学对联的方式来表示上述的推演过程。

上联是,质量:内容——凝聚性,不变性,引力性,熵质量。形式——清楚性,确定性,空间性,均匀性。相互作用的媒介——信息与负熵信息。分类——机械质量与系统质量。下联是,能量:内容——变化性、弥散性,干涉性,熵能量。形式——不确定性,模湖性,时间性,无序性。相互作用的媒介——力与负熵能量。分类——机械能量与系统能量。另外对熵质量与惯性质量之间也可以作一幅对联,惯性质量:力求时间上的均匀性,牛顿第一定律,牛顿第二定律,相对论定律。熵质量:力求空间上的均匀性,热力学第二定律,热力学上的牛顿第二定律,耗散结构理论或协同学。如果大家真能掌握这样的推演方法,那么很难用数学规律推演的生命,人类,社会现象就有了行之有效的推演方法了。对生命,人类,社会现象负责的系统科学就会有质变性的发展。

 

 

                                             最终幻想X(饶晓峰)于江苏无锡梅园      2002.10.19