黑白講外五章 – 齊助教續講

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	31.1 熱動力學 這裡需要做一個熱動力學（即熱力學）的背景知識補充。這部分取材自維基百科。 熱力學 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6 熱力學第二定律 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7 ... C%E5%AE%9A%E5%BE%8B 永動機 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B8%E5%8A%A8%E6%9C%BA 熱力學可以總結為四條定律。熱力學第零定律定義了溫度這一物理量，指出了相互接觸的兩個系統，熱流的方向。熱力學第一定律指出內能這一物理量的存在，並且與系統整體運動的動能和系統與環境交互作用的勢能是不同的，區分出熱與功的轉換。熱力學第二定律涉及的物理量是溫度和熵。熵是研究不可逆過程引入的物理量，表徵系統通過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。熱力學第三定律認為，不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度。 熱力學第一定律指出第一類永動機 ─ 即不需要外部供應能量可以一直動的機器，不可能實現。第二定律表述熱力學過程的不可逆性 — 孤立系統自發地朝著熱力學平衡方向 ─ 最大熵狀態 ─ 演化。同樣地，這相當於在說第二類永動機永不可能實現。 第二類永動機 ─ 一開始由外部吸取熱能（比如從海洋、大氣乃至宇宙），讓機器動起來，之後便無需外部能量自己一直運作。比如做功產生熱，熱再拿回來作功。但此第二定律宣告：不可能從單一熱源吸收能量，使之完全變為有用功而不產生其他影響。此即是說，這個循環總會耗散掉能量，機器會越來越沒力。 永動機不可能實現，所以《末日列車》電影裡的那列車，就明顯違反了熱力學。屏除唯心世界的可能，至少硬梆梆唯物式的機器，不能違規。 熵(ㄉㄧ)，物理上的含義是「系統微觀粒子的無序程度的度量」。熵越大越無序，也是熱力學平衡的方向。 值得一說的是，由於熱力學自身的局限性（它僅適用於粒子很多的宏觀系統，它把物質視作「連續體」，不考慮物質的微觀結構），因而在熱力學自身範疇內，第二定律只能作為「經驗定律」而不能得到解釋。 當然，既然是經驗定律，就有許多對定律的詰難，比如馬克士威妖、洛施密特悖論、吉布士悖論、龐加萊始態復現等。 可以發現的是，這些詰難其實都是利用微觀下粒子行為的模式，恰恰是宏觀下的熱力學不能解釋的。這也可看做是量子力學、動力學與熱力學之間的不協調。 而從層次的角度來看，大量的微觀統計，恰恰就是宏觀現象的展現。所以，如果要對定律進行解釋，需要藉助統計力學的方法。引用熵的統計力學解釋（波茲曼關係）結合熱力學定律，可以對較為典型的不可逆熱力學過程進行分析，從而得出對熱力學第二定律的解釋為：「孤立系統的自發過程總是從熱力學機率小的宏觀狀態向熱力學機率大的宏觀狀態轉變。」 說得直白一點，就是統計上趨勢如此。為什麼如此？就是機率高啊！如果不是這樣，這宇宙就不是現在這個樣子。 說了以上這麼多，要知道上一段拉達智三位的討論就是在說物理上「熵變大走向無序」與「生命明顯是有序的」這兩事上有衝突。而事實上地球並不是一個封閉系統，因為有太陽的能量持續的供應，所以為物理上的有序發展創造了可能性。反過來說，如果在物理層次上都不可能，更高層級的物質態生命的發展就不可能發生。 如果把太陽系當作一個孤立系統，則太陽早晚會不再供應能量、整個大系統最終還是往無序發展。 那如果更大的系統呢？比如宇宙。於是就有了「熱寂說」。這各位自個兒看，說法不一。 熱寂 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E5%AF%82 最後，這裡要貼一下「龐加萊始態復現」，因為這「機率概念」對之後的對論，有理解上的幫助。 1892年，昂利•龐加萊證明了這樣一個定理： 孤立的，有限的保守動力學系統的組態在足夠長久時間後可回復到任意接近初始組態。 即龐加萊始態復現定理。 1896年，恩斯特•策梅洛引用這一定理對於熱力學第二定律進行詰難，認為熱力學與動力學不兼容，並似乎得到了普朗克以及龐加萊本人的支持。針對這一觀點，波茲曼引用漲落的概念調和熱力學與動力學，認為復現是依靠漲落實現的。據他估計對一個有10^18個（標準情況下，約0.037ml的氣體所包含的氣體粒子數）粒子的系統，復現時間的數量級為10^10^18 (易見這個數字過分龐大，以致對於時間單位選取是無意義的)。而宇宙的年齡約為10^18秒，因而可見，龐加萊始態復現定理對於一個宏觀熱力學系統是沒有現實意義的。 數學機率上的可能，在物理現實上實踐不出來，沒有實質上的意義。這觀點可先記著。

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	32 馬智達二 達：「智兄、拉兄，你們兩位難道是一國的？一起對付我？雖然我也不害怕就是。」 智：「達兄可別先套帽，把話題轉移了。我並不一定是站在你們的對立面，你們各自的某些觀點我並不會不認同。只是最終大家都不全面也不究竟，我就補充補充。」 拉：「智兄，雖然我與達兄觀點不同，但我們基本上都同意生物是進化的，只是機理不同。我們主張的『用進廢退』其實達爾文本人在他的《物種起源》裡也說了不少。」 達：「我們這裡就不在講一兩百年前進化論剛剛啟蒙的時候，當時對於演化機理的了解確有不足。做為開創者的達爾文對於演化有些解釋不清楚的地方，可別太有心機的引用說事。在後來新研究的發展，新達爾文主義已經將這部分剔除乾淨了。另外，智兄，我們可不是在爭議生物進不進化，智慧創造論可不是說進化的。」 智：「有學者說達爾文本人只有極少的達爾文主義，這話自有公評，這圈子不乏有人說某某某比達爾文本人更堅定在達爾文主義的道路上。智慧創造所提的只是另一種生物存在的可能性，尤其是這生物圈到處都還有二位尚不好回答的現象。而我們也不會不同意進化也存在，但也還不能排除其它方面的可能性。倒是達兄，你一下說演化、一下講進化的，明明你這邊是演化，拉兄那邊是進化，兩位硬是要聯姻，搭是不搭啊？！」 拉：「從當今研究回頭看，最初拉馬克與達爾文的距離還比較近些。經過這一百多年，現在生物學的發展，可說是百花齊放，研究廣泛而深入…，」 智：「可問題卻也越多了，不是嗎？生命並沒有這麼簡單。我先不扯遠，達兄還是先說說無方向，但生物確實越來越複雜的奇怪現象？」 達：「我們說最小的生物單位是細胞，這當然是最簡單的形式了，而生命是一連串突變，然後經過大自然篩選、適應者生存法則而使得生物被動的不斷變異。我們說這突變是隨機的，所以可能會進化，也可能退化。因為最簡單的形式的底線已經在那，所以隨機突變的發展，自然只能往複雜方向走，這是顯而易見的嘛！」 拉：「達兄你這回答衍生的問題太多，演化論不能保證必然產生高等生物，但實際上，現在就有一堆高等生物，你我都是物證。如果以種類多、數量大、分佈廣為一個物種的成功標準，我看只要發展到寒武紀之前的生物就好了。」 智：「依你們的定義，碰巧最簡單的生物 — 細菌，就是最成功的生物。但細菌簡單嗎？不！恐怕比我們最現代的工廠都還複雜。還有達兄，你不覺得，自然選擇，也算是方向？」

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	33 馬智達三 達：「智兄啊，地球從46億年前歷經了灼熱的岩漿期、冷卻、水蒸氣、海洋形成、地殼變動、氣候變遷、幾次的冰河期，一直到現在。自然的變動，乃至於四季的變化，你難不成認為自然會這麼變化是有目的的？喔！我印象中記得有『神』說過，凡事沒有巧合，只是我們不知道。又說一切自有安排，現有的一切都是最好的安排…，一堆的胡話。滿腦子都是「目的論」的思維，在我看那是「陰謀論」。物理如果有趨向，就只有變化是由機率小的情境向機率大的情境發展；生物發展要是有方向，就是對環境越來越適應，如此而已。除此之外，沒有什麼方向或目標！」 拉：「可偏偏高等生物的出現，並非是高機率的事啊！細菌很成功了，在發展上去是真核細胞、多細胞生物、藻類、蠕蟲，…實在沒道理再增加複雜性，向上發展啊？你說到機率小的向機率大的情境是在沒有能量，也就是沒有負熵輸入的封閉系統。一旦有源源不絕的能量進來，一個區域就會向有序的方向移動，形成更複雜的系統。」 智：「達兄，你還好意思談機率？達爾文在《物種起源》一書裡偏偏沒有談到的就是物種的起源。細菌出現的機率，怕是低到一個不可能發生的程度。達爾文主義者說得出第一個細胞怎麼出來的？」 達：「我們一般認為，地球大約40億年前，高能的化學分子就能自我複製，過了5億年，生物的共同祖先—原核細胞，也就是細菌，在原始海洋裡由大量化學物質持續交互作用中誕生。生命一直變化，環境也一直改變，生命影響環境、大氣的成分、溫度等。於是環境也又繼續影響生物。」 智：「達兄你回答了問題了嗎？可別拿1953年Stanley L. Miller的實驗說事。好像把甲烷、氨、硫化氫和水放在管子裡，放電光、加熱來模擬原始地球的環境條件，然後合成出了一些氨基酸、有機酸和尿素等物質，就說早期地球完全有條件孕育生命體，然後草率的宣告原始生命物質可以在沒有生命的自然條件下產生出來。這實驗備受質疑，地球早期氣體不像miller的混合氣體，故這也可以說是實驗室『設計』出來的一種環境。」 拉：「達兄，我恰好同意您生命與環境的互相影響，而生物對環境有應答性，也正是我方主張的論點之一。你想想，如果氣候改變，回到冰河期，那依據無序的說法，物種只要退回去就好了，進化什麼？何苦越來越複雜呢？你能想像未來會再有已滅絕的古生物出現嗎？還有，我想智兄你的問題是想說，即便地球原始環境能製造出胺基酸，也組不成蛋白質，這太複雜了。」 智：「拉兄好樣的，由機率來看，單是生命的誕生所需要的蛋白質，機率極低到比已知宇宙原子數分之一還小，就算給你幾百億年，這也不可能發生。」 喝自來水去吧！

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	34 馬智達四 拉：「但我認為，並不一定是機率低，只是有一些我們還不知道的機理。我個人認為像整體論裡非線性複雜系統、混沌分形、自組織、自組裝、協同學、超循環等等理論，能夠去填補這一空缺。生物向高階發展，都有共生的關係，這我認為單純用達爾文的『隨機』來解釋，非常牽強。但反過來也一樣，沒有必要說是生命是被『創造』出來的。」 達：「我倒認為智兄說成隕石撞地球，因此帶來了生命，也許信的人會多些。但這麼說，也得是要繼續回答隕石帶來的生命又是怎麼來的，上帝嗎？我的上帝啊！」 智：「達兄，這你就誤解我了，科學一直是以唯物為出發點的，到目前也都認為萬事萬物，包括時間，都是有始有終的。這是不是只看到了一半？如果以唯心為出發點呢？如果一切又是無始無終的呢？我們有限的腦袋恐怕不好使了。既然科學還不能解釋，那我們由哲學上看，黑格爾都還有絕對精神的理念呢！」 達：「生命基本必須的蛋白質、DNA的組成，這難度高。但如果說生命的起源在於自我複製，則更簡易形式的RNA，可能性就高了。我們知道RNA即是可以自行複製的個體，但需要蛋白酶的催化。所以，先有RNA還是先有蛋白質，就成為了先有雞還是先有蛋的問題。在1980年代，分子生物學家也發現RNA可以自行催化酶，也就是說RNA既能翻譯蛋白、催化酶，又能自我複製。RNA簡單但是贏在全能，所以RNA做為一個生命的開始是極為可能的。生命起源前化學領域的科學家也一直在嘗試製造可以自行複製的RNA。我想這很快會有答案，機率沒有這麼低。我認為也無須再輔以隨機外的機理，拉兄沒必要拿那些新穎的學說做為名詞來為自己貼金。而退一萬步講，生命不涉及智能創造！」 拉：「我還是認為單講隨機性發生還是不夠，其他的理論要加進來看才對。並且，我方早在19世紀便有做為整體論的活力論的嘗試。」 達：「是啊，我還是勸勸拉兄，別再犯了一次像活力論這種假道學的錯誤了。」 智：「你們在實驗室搞出的生命，算不算是創造出來的啊？」 達：「智兄，我就說你天生立場就是反科學的。實驗室模擬的正是地球原始環境，我們只是重現當初的環境，嘗試生命發生的可能性。如果在實驗室可能演化出自我複製的個體，這不就證明有自然有機會自行發展出生命？」 吃飼料油去吧！

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	35 馬智達五 智：「達兄您又誤會我了，剛才我就有影射了像Miller的實驗，環境怕是差那麼一點也造成不了生物發展的條件。我相信單單這點就是苛刻的。如果你有興趣，查查宇宙的參數，有許多的參數如果差一點點，這宇宙連出現都有問題。」 拉：「智兄，你這麼說又過頭了。我還是說對於機理、法則，我們只是還不知道而已，沒必要反科學。」 智：「說我反科學可真是誤會我了。沒錯，科學把上帝推得更遠，但到最後，我們還是可以問：法則如何而來？為何大自然服膺所謂最小作用量原理？兩個大質量物體為何會互相吸引(或說空間扭曲)？說它本來就這樣與說它是創造出來的，本質上並沒有差別。人類太自以為聰明了。」 達：「應該說你太會耍小聰明，反正怎麼說你都能扯到神那裡去就是。」 拉：「到頭來，這可能是個信仰問題，而不是科學問題了。到目前科學的思維確實偏向萬事萬物都有個開始，並且法則也在一開始就存在了，不會改變。」 智：「不會改變嗎？還有人去考據，人類記錄上說的『光速不變』實際上卻變了好幾次。後來乾脆把光速當成定義，用光速來定義長度單位，要是光速再變，不，光速不會再變，只有長度的單位會變，以符合光速不變，這真的太聰明了！還有，既然萬事萬物，包括法則都有個起頭，把那個起頭當作是上帝也沒有什麼不可以。」《TED：科學的迷妄》 達：「一樣的，不當作上帝也不會有蛇貓影響！這不會使你的神更神。」 智：「達兄別激動。我們一直在追溯祖譜，說到底，人是人他媽生的，妖是妖他媽生的。人要搞上了妖，生出來的，就變成人妖了。請問這是達爾文式的，還是拉馬克式的呢？」 達、拉：「您就別挨罵了！」 拉馬克、達爾文、外星人，下台一鞠躬。

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	36 馬智達 到此一遊 加註版 生物會不會退化到前祖代的模樣？ 達註： 有關生物會不會退化到前祖代的模樣，有這麼一個說法：生命的演變是一種叫「馬爾可夫過程」的隨機過程*。馬爾可夫過程的隨機方式是【在已知它所處的狀態的條件下，它未來的演變不依賴於它以往的演變】。 這意思是說，它對過去是如何到現在這個狀態，並沒有記憶性，所以它也不知道如何可以退回去，它未來的演變不依賴於過去的狀態。 當因為突變加上自然篩選演化到下一物種，牠要回到前代，只能再靠著突變的機理回去，因為牠不記得牠之前的模樣了（前代的基因早已不在）。由於基因突變是隨機的，想要再以隨機突變的方式退化回到之前的狀態幾乎不可能發生。 （*另註：隨機過程另外還有泊松過程、維納過程等。） 拉也註： 但此種說法一樣很難解釋生物越來越複雜的現象。如果突變一下進、一下退，就很難越走越遠，越來越複雜。 智續註： 這就比如，有一個夢遊者，不知來時路的夢遊著，經過了一段時間後醒來，發現自己在四周都是峭壁的山頂上，然後思索著，我一定是夢遊過來的，且讓我看看自己是怎麼過來的… 拉再註： 智兄的比喻又過激了。但我們可以比喻有一個醉漢，喝到無意識了，左搖右晃又忽前忽後的要走一段長路回家。在完全不知道回家的路的情況下，他居然沒在酒家附近一直徘迴，而是奇蹟似的回到了家… 達又註： 智要影射的是：有外星人搭飛碟直接把夢遊者放在懸崖上，然後叫醒他。 拉要影射的是：有個警察（法則）帶了路把醉漢引回家。 我則是完全不假外求的。

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	37 智力的洗禮 進化論的爭論，是一場智力的洗禮，很值得做一個專題的介紹。這我想下次可以先過過這個。反正要講的還很多，也不急於一時。 這樣的智力大考驗，也讓我聯想到有關生女生男一事。 在中國文化重男輕女的傳統社會裡，我們應該不難想像得到婆婆指責媳婦生不出男丁的這種橋段。 媳婦要是有一點文化，會倒過來駁斥：生不生的出個帶棒的，是妳兒子的問題！ 嗯，沒錯，這是我們大眾一般的看法：性別的決定始於受精卵，如果精子中攜帶的是X染色體，受精卵會生長為女性；如果是Y染色體，則受精卵生長為男性。精子當然是由父方提供。（這裡我們不考慮斯威爾症，這種病的患者擁有男性XY染色體，其生殖器官卻全為女性。）達爾文的破產，#585 然而，關於精子奮力游向卵子，可是一條漫漫長路。這條路有多長？根據精子的大小，如果比例精子為一個人，就有這樣子的比喻：這水路大概是太平洋東西岸的距離。 我們想像一下，男方準備了千軍萬馬的游泳健將，有X軍與Y軍，打算一路由上海游到舊金山，拔得頭籌的獲勝。這看起來是場公平的對決，退一萬步說，如果X/Y軍戰力與數量不一致，這也還是父方的問題。看來生男生女除了機率，就是父方的問題。 但等等，還有一個問題：這太平洋是誰的領域？是母方。如果這太平洋偏愛其中一方，而對另一方形同惡水呢？過程條件的不對稱，也是這場競賽重大的因素。如果從這裡說，恐怕生男生女母方也無法完全脫離干係。 以上只是我胡謅的一個例子，想深入一點，常可能使人又有疑惑。在進化論的爭論裡，常常有類似的精彩觀點。比如，我剛剛說拉馬克的後天獲得性遺傳已經在分子生物學被證實為不可能。但遺傳並不如此簡單，過程中還有很多的調控機制。表觀遺傳學就是在研究這些遺傳的調控機制。如果遺傳過程中的調控機制被後天獲得的性狀給影響了，這就使得後天獲得性遺傳成為可能。 好了，今天課程不拖拉，最後只跟各位分享一下，這世界上有什麼是既簡單又複雜，既有限又無限的？

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	38 下課 聽起來很矛盾，但卻是有的，我舉一個例：Fractal（碎形、分形）。 http://htwins.net/mandy/ 說它無限，是它永無止境，總能一直看進去。說它複雜，是它顯現出來的圖形，當然也是異常的美。說它簡單，是因為它的定義就是以一個簡單的遞迴公式在複數平面上所集合出來的區域。另一方面，它各個部份總有相似性，看似無限但卻像是有限的重複。 如果再想想一些概念，整體、美、愛、真、生死、… 也好像都是既簡單又複雜，既有限又無限的？好似都有內部矛盾，又同時有著不同性質。 同學：「在我看，這Fractal很複雜，圖形一點也不簡單啊！」 嗯，圖形上了五彩顏色，也是！畢竟每個人的主觀判斷都不一樣，你是對的。 同學：「既然因人而異，助教這麼說，包括扯到其他形而上概念如真善美愛等等，來妄加評判性質，也是沒有根據的說詞。」 如何確保你是對的？就是我錯了。可惜現在人常常都是向外指稱你是錯了，來確保自己的對。你是對的，也許是我想太多了。 不過類似像Fractal的，在複雜系統裡還有很多。從中古世紀亞里斯多德對整體的宣稱「整體不等於部分之和」「整體大於部分之和」開始，到今天對於整體論的發展，混沌、自組織、協同學、超循環、耗散結構…；僅僅幾條少數的規則或定律，由簡單中孕育出複雜，在整體上能突現出新穎的，在部分之中所看不到的新性質。不同於還原論的主張，複雜系統從微觀上無法推導出、不能預測到宏觀上的結構與性質。只有從整體的層面上，它才誕生顯現出華麗的特性。 抱歉，我說我們研討會的形式比較行雲流水，不像梁老師、張教授的演講，主軸清楚明確。我想到什麼講什麼，希望同學們別被我搞亂了。 今天先到這裡。

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	參考書目 心靈種種 （Dennett, D. C.著，羅軍譯） 上帝與新物理學 （Paul Davis著，徐培譯） 量子宇宙 （Brain Cox，Jeff Forshaw著，伍義生、余瑾譯） 複雜系統突現論 （范冬萍 著） 我是誰？（Richard D. Precht著，錢俊宇譯） 萬物簡史 （Bill Bryson著，嚴維明、陳邕譯） 生物中心主義 （Robert Lanza, Bob Berman著，朱子文譯） 以及網路上眾多不及備載的資訊。

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	有關進化論的網路討論連結： 怎么看待对进化论的质疑？ 方舟子 http://xysblogs.org/fangzhouzi/archives/5688 投弹手甲壳虫(放屁蟲) http://tieba.baidu.com/p/989886041 永動機 http://tieba.baidu.com/f?z=99057 ... %AF%C2%DB&pn=90 永動機的空想 http://tech.sina.com.cn/other/2004-01-12/0851280779.shtml 進化論吧 http://tieba.baidu.com/f?kw=%BD%F8%BB%AF%C2%DB 方舟子：“智能设计论”不过是一具行走的僵尸 http://tech.sina.com.cn/other/2004-01-08/1142279347.shtml 我是一個新拉馬克主義者 http://bbs.tianya.cn/post-no01-87782-1.shtml 進化論破產 http://www.360doc.com/content/13/1230/00/8884300_341132320.shtml 達爾文的破產 http://bbs.tianya.cn/post-no01-83884-1.shtml 生命起源：寻找第一个自我复制者 http://songshuhui.net/archives/58788/ 揭开生命起源之谜四个重大进步：自我复制RNA http://tech.sina.com.cn/d/2009-06-20/09503197171.shtml 进化论的虚妄 http://cclw.net/gospel/explore/yiweiyixue~/htm/chapter10.html 进化论虚妄吗 http://wenku.baidu.com/link?url= ... oWP7T1OmDoxJKquoYC3 http://www.360doc.com/content/10/1230/11/4573905_82576219.shtml 方舟子：生物是如何進化的 http://www.360doc.com/content/10/1230/11/4573905_82570062.shtml 信仰之争─关于创造论与进化论的一些思考 http://cclw.net/book/lczxwj/htm/chapter06.html 创造论与进化论 http://cclw.net/book/lczxwj/htm/chapter07.html http://wenku.baidu.com/link?url= ... 7-kujg7yqvMTmh4kv2G 以及網路上眾多不及備載的資訊。