思維創新熱力學研究

李青山　楊秀珍　張淑媛

[摘要]從思維創新過程的控制階段思維創新熱力學研究入手，系統地分析了思考過程取得創新成果必須克服一定的勢壘，才能完成創新思維成果。通過引入負熵的概念，把思維創新過程定量化。通過超過勢壘能量的蓄積，達到預定成果的難度水平，即可以完成思維創新過程。

[關鍵詞]思維創新，創造力，熱力學，勢壘，能量差。

[中圖分類號]B804.4[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2006)04-0283-06

0引言

胡錦濤在全國科學技術大會上的講話指出：“動員全黨全社會堅持走中國特色自主創新道路，為建設創新型國家而努力奮斗，進一步開創全面建設小康社會、加快推進社會主義現代化的新局面。”如何“提高全民科學素質建設創新型國家”。這是21世紀中國人面臨的艱巨任務，要完成這個目標就要深入的研究創造、創新、創業教育理論^[1~3]，研究思維創新。

思維是對客觀事物的反映，揭示事物的本質和事物之間的規律性特征。辯證唯物論告訴我們，人們對客觀事物的認識，第一步是接觸外界事物，產生感覺、知覺和印象，這屬于感性認識階段^[4]；第二步是將綜合感覺的材料加以整理和改造，逐漸把握事物的本質、規律，產生認識過程的飛躍，進而構成判斷和推理，這后于理性認識階段。筆者所說的思維指的就是這一階段。間接性、概括性和超越性是思維的本質屬性。

思維的間接性是通過思維過程，可以根據已知的信息推斷出沒有直接觀察到的事物；思維的概括性^[5]，是對思維反映的事物之間固有的必然的聯系；思維的超越性，是指思維能夠超越具體的時間和空間，能夠超越具體的客觀事物。思維不僅影響主體深刻地認識世界，而且還能夠創造新的思想產品，能動地改造客觀世界。

思維研究對實踐也會產生深遠的影響。創新性是創造性思維的充分必要條件，凡具有創新性的思維活動都是創造性思維；凡不具有創新性的思維活動都不是創造性思維^[6]。思維創新學的研究主體——人有正確的思維創新方法，擁有較全面的理解認知能力^[7]。從事計劃和管理的工作人員，懂得了人類思維的特點，可以采取措施避免出現大的失誤；科技人員懂得自己的思維特點，擁有獨特的思維方式，可以制定出科研方案，幫助自己的研究和設計；教師懂得了學生思維發展的特點，在教學中科學地訓練學生的思維，提高了學生的分析問題、解決問題的能力。全社會的成員學會了正確的思維規則和思維創新方法，就能提高素質，實現建立自主創新固定的目標。

為了深入研究思維創新的過程，筆者提出思維創新的概念并從熱力學、生物進化論及腦科學方面來認識和理解思維創新的整個過程。

1思維的萌芽——熵（Entropy）的意義

人為什么會死？這是一個意義很深的問題。“人自從生下來開始必然會死亡的”也有人會這么回答。“當整個世界被熱力學第二定律這樣一個指向死亡和毀滅的法則所支配時，怎樣可能去理解生命呢？”1922 年，瑞士物理學家CE格埃在《物理化學的進化》中提出了這個世紀難題。

人在生存的那段時間的大腦、內臟、肌肉等處于一種非常高度化機能的程序化、規則化的狀態。這樣的狀態在熱力學上看來是一種熵（S），熵是熱力學第二定律引進的一個基本狀態函數，是物理化學上用來表示某個體系混亂程度的量。它可以作為孤立系統過程進行方向和限度以及該系統是否處于平衡態的判據，在一定條件下還可以表示某一個宏觀狀態出現可能性的大小。熵在希臘文里表示“變化”^[8]。人的一生是一個非可逆開放體系，所以人內部的熵同時間一起增加，但絕對不會減少。熵慢慢地變大，逐漸達到最大值S_max。熵最初是沒有規則性、秩序性的平衡狀態，即人的死亡的狀態。關于死亡最早是大腦、內臟失去規則性，而只不過是一種單一的C.H.O等體系。因為有這樣熵的規則，所以人生下來之后一定會死。在這種意義之下，稍深一些想一想人的生和死。人以非可逆開放體系而生存下去，不斷地從外部吸收物質和能量，又以新陳代謝的方式排出體外。這樣既流進又流出的能量不是單以改變形狀流動而生產或消減的。熵是一種新生成出來的東西。因此為了保持更長的壽命很有必要維持正常的狀態。死是一種平衡狀態。生是一種正常狀態，是一種開放體系的常數。兩者有下列這樣的基本相似點。

在這里是F自由能， ds/dt是熵增加的速度。這樣的生命會把熵的生成速度最小化而極力防止人達到熵的最大值S_max，即死的情況。也就是人生命停止時，熵達到最大值S_max，而自由能達到最小值F_min，趨近于零。當F=F_min并趨于零時，人的思考與思維將完全終止。

若要維持和發展生命就必需使其熵變等于或小于零。而“熵產生”總是大于或等于零的，因此，只有當“熵流”小于或等于零時才可以達到。如果有條件能使“負熵流”變大，生物體系的熵變控制在零以下，那么這個體系將更有次序、更有組織,才能保證生物個體的生存和種群的進化。反之，如果把生物孤立起來不與外界發生聯系，“負熵流”沒有來源，熵的產生越積越多，生物生長、發育、繁殖的信息就越趨混亂，終將導致生物死亡。

生命體實際上是從環境中取得以食物形式存在的低熵狀態的物質和能量^[9]，把它們轉化為高熵狀態后排出體外，從而保持了自身的熵處于比環境較低的水平。

從熱力學第二定律得知，一個封閉系統的熵只增加不減少。1865年克勞修斯提出并證明熵增加原理，表述為“孤立系統中的可逆過程其熵不變，不可逆過程其熵增加，孤立系統中不可逆過程總是朝著熵增加的方向進行，直達到熵的最大值^[10~14]”，這樣熵增加原理用數量關系表示出熱現象中不可逆過程進行的方向和限度。克勞修斯還指出，若，則過程是可能的，而且是一自發過程；若，則過程是不可能的。因此熵增加原理描述的是不可逆過程。由此可知生命系統必須是個開放系統，它一面不斷向體外排熵，一面從外界汲取低熵的物質，以形成負熵流。生命之所以能存在，就在于從環境中不斷得到“負熵”。有機體是依賴負熵為生的，此即生命的熱力學基礎。筆者把有機體的生命過程歸結為如下圖解。如圖1，有機體與周圍環境之間不斷地進行著物質與能量的交換，并維持著低熵的狀態，這要求攝入的是低熵物質，如碳水化合物、凈液態水，排出的是高熵物質，如CO₂、尿、汗和其它排泄物。

在有機體中，同時存在兩種對立的傾向：正熵導致衰退和死亡，負熵導致發展和進化^[15]。熵減與熵增并存，進化與退化同在。在某個特定的時期兩類熵的增加和減少中，占主導地位的傾向便決定它演變的趨勢。兩種傾向的競爭演繹出豐富多彩的生命現象和它的進化歷程。

2思維的主體——負熵的概念

早在1860年玻耳茲曼就說過：“生命為了生存而作的一般斗爭，既不是為了物質，也不是為了能量，而是為了熵而斗爭。”1944年奧地利薛定諤用熱力學和量子力學解釋生命本質，開拓了研究生命現象的一條新途徑，他首次提出“生命賴負熵而生”的名言，引導人們擺脫物質、能量等概念的束縛，深入認識生命的本質。1944年布里淵也深入討論了生命與熱力學第二定律的關系，他提出，對于生物首先要有一不穩定平衡的創造物，然后是所有生物對儲存負熵資源的使用；其次生命機體是一個處在不穩定平衡的化學系統，“生命力”本身表現為一種負催化劑等。

1943年奧地利理論物理學家、量子力學理論的創始人之一薛定諤在都柏林三一學院所作的講演中首次利用熱力學和量子力學理論來解釋生命的本質，提出了負熵的概念^[16]，并與生物的生長和進化建立關系。在回答諸如“生命的特征是什么？一塊物質什么時候可以說是活著的？”這類問題時，他指出：“一個生命有機體的熵是不可逆地增加的，并趨于接近最大值的危險狀態，那就是死亡。生命體作為一個非平衡的開放系統要擺脫死亡，從物理學觀點看，唯一的辦法就是從環境中不斷汲取負熵來抵消自身的熵增加，有機體是賴負熵為生的。更確切地說，新陳代謝中本質的東西，乃是使有機體成功地消除當自身活著的時候不得不產生的全部的熵，從而使其自身維持在一個穩定而又很低的熵的水平上。”因為熵是無序性的量度^[17]，所以負熵是有序性的量度，在此意義上說，生命體維持生命而從外界汲取的是“秩序”。

薛定諤指出：生命體要生存，在從環境汲取負熵的同時，還必須向體外排放多余的熵來維持平衡。但熵作為一種抽象熱力學系統的狀態函數不可能以游離形式存在，而應是物質的一種屬性，因此，為了排出熵，就得排出帶有高熵的物質。實際上，因為熵作為一種狀態函數無所謂正負，所謂負熵是指生命體通過吃、喝、呼吸等環節可使體內的熵減少，因此他是在喻義的基礎上引入的。他本人對負熵概念并未給出區別于熵的實質性的內容，而只是說成“取負號的熵”。

在生物體中，DNA分子在按照親代的遺傳密碼轉錄、翻譯并復制后代的蛋白質造成信息量的欠缺，從而造成生物體熵的減少，這就是生物的負熵流，簡稱生物體的負熵。一個有生命的有機體是以“負熵”為生，即不斷地消除或減少當有機體活著時不得不產生的全部的熵，而當熵不斷增加并趨于最大值時，生命便趨于死亡。這樣，熵不斷減少或“負熵”增加，就構成了生命的本質。生命、創造依賴負熵為生。

生物體的集富效應是生物中負熵（流）的典型例子。如海帶能集富海水中的碘原子，若設想一個模型，海水中的碘原子是在海水背景中的理想氣體分子，則海帶集富碘相當于把碘“氣體”進行等溫“壓縮”。顯然在這樣的過程中碘原子系統的熵是減少的（也就是說碘從無序向有序轉化），這是海帶至少必須向外釋放能量 ，注意到理想氣體等溫壓縮中外皆要對系統做功，但在海帶集富碘的過程中外界并未做功，而是利用了一定的信息量（即造成信息的欠缺），從而使海帶的熵減少。從海帶集富碘這一例子可清楚地看到，生命體是吸取了環境的負熵（流）而達到自身熵的減少的。在這里“吸取環境的負熵”可理解為是向外界放熱，也就是形成負熵流。1938年天體與大氣物理學家埃姆頓在《冬天為什么生火？》一文中指出：冬季在房間內生火只能使房間維持在較高的溫度，生火裝置供給的能量通過房間的墻壁、門窗的縫隙散逸到外部空間去了。與生火取暖一樣，地球上的生命需要太陽輻射。但生命并非靠入射能量流來維持，因為入射的能量中除微不足道的一部分外都被輻射掉了，如同一個生命體盡管不斷地汲取營養，卻仍能維持不變的體重一樣。人們的生存條件是需要恒定的溫度，為了維持這個溫度，需要的不是補充能量，而是降低熵。埃姆頓的這一段話道出了生命體要維持生命的關鍵所在——從環境吸取負熵。

薛定諤在《生命是什么？》一書中指出，生命的特征在于它還在運動，在新陳代謝。因此生命不僅僅表現為他最終將死亡——使熵達到極大值，從有序走向無序——更重要的是要避免很快地衰退為惰性平衡態，因而要不斷地進行新陳代謝。薛定諤認為單純地把新陳代謝理解為物質的交換或能量的交換是錯誤的。實際上生物體的總質量及總能量并不因此而增加。他認為，自然界中正在進行的每一種自發事件，都意味著它在其中的那部分世界（它與它周圍的環境）的熵增加。一個生命體要吸取負熵。新陳代謝的基本出發點是使有機體能成功地消除它所產生的熵（因此熵是活著時必然會產生的，這是一個不可逆的過程），并使自己的變得更小，其唯一的辦法是不斷地從環境中吸取負熵。

生命離不開汲取負熵，但僅單單汲取負熵并不構成生命生和死都是不可逆的過程。不可能用物理定律去完全解釋生命物質，這是因為生命物質的構造同迄今物理實驗過程中的任何東西都不一樣。為此，必須去發現在生命物質中只能占支配地位的新的生命物理學規律。

3思維創新力的產生——信息情報的發生

根據以上所敘述的內容，想一想人的思維創新力。人僅僅生存在那種條件之下是無意義的，創造才是人生的真正價值。創造嶄新的秩序、規則形的建制。換句話說：產生與創制新的信息情報。在情報量和能量之間有如下的關系：

在正常狀態下，可以想象成從外部流入的負熵來消滅內部發生的熵Si 。換句話來說，可以從體外吸取負熵從而消化內部發生的熵，又可以排除體外。即正常狀態是指，如果有動的變化全部的熵不會增加而保持一定量，也可以采取平衡相似的舉動，根據這點人可以把熵值維持在較小的范圍，這是創造性的第二手段。

在這里可以舉具體的例子。根據上面所說的那樣保持正常狀態是一種極平凡的一件事。比如把每天的生活規則化，調整一下每周的生活節奏，也可以指定一下下一年的生活計劃。這樣看來，可以立即看出這里存在一些矛盾。增大需要非日常性，減少熵值則需要日常性。這樣根據滿足相反的條件來作出獨創性的結果。這里面存在著人生的喜怒哀樂。

這樣同時滿足矛盾條件，除了以上幾件事外，在近代社會里這樣的例子也不少。比如經濟的競爭和協作、社會的自主性和協調性、政治的多數派和少數派等等。在自然科學里也有像粒子性和波動性那樣的例子。

4信息情報處理——數字和模擬（Digital and analog）

在前面訴說了情報發生的條件。下面講一下情報處理的記憶。在這方面很有名的是1981年獲得諾貝爾獎的斯佩里博士關于大腦的研究。其要點是，人的記憶包括左腦和右腦，左腦就像是數字顯示，右腦就是模擬計算機。以前左腦被人們所重視，可今后右腦逐漸被人們所重視。人的左腦記憶是決定于細胞的數目的，大約有140億個。但這只是人剛出世時的數目，隨著時間的變化慢慢開始老化，平均每年減少6千萬個左右。這樣延伸下去的話到230歲時細胞數等于0。可以看出依賴于左腦的人，他的知性只能逐年衰老。

記憶數無限大是右腦的本質。雖然細胞數目逐年減少，可右腦記憶數目不會少，更不會有逐年衰老的情況。敬告那些年輕人，他們往往會依賴于左腦，所以他們的記憶會逐年衰弱。所以趁著年輕時趕緊做完左腦的事，拖到明天實在是太晚了。

5思維創新力的形成——克服勢壘（能量差△E）

古希臘著名哲學家蘇格拉底曾給“人”下過這么一個定義：人是無毛的兩足動物。這種說法立即遭到了一些哲學家的反駁。有人指著一只拔光了羽毛的公雞對眾人說：“你們看，這就是他所說的‘人！”。這不禁引起眾人的哄堂大笑，疑惑也同時存在：人類的本質特征是什么？在人類生活的地球上，有著千千萬萬種動物，不需仔細觀察，就會發現許多動物有著令人驚嘆的本領。比如：鷹擊長空、魚沉水底、蜜蜂釀蜜、蠶兒吐絲……不過缺少了這些特殊器官和生理功能的人類的力量卻比它們強得多。當然，人類的強大力量并非來自肢體，而是人腦所特有的思維能力^[18]，這便是人類的本質特征。由于人類的思維具有間接性、概括性和超越性，人類才可以超越具體的時間、空間和具體的客觀事物，去認識那些并沒有直接作用于人的事物的本質，從而做出創造發明。

創造熱力學是由日本未踏學會副會長金子秀夫提出^[19~20]，在創造學界具有深遠的意義。在創造的全過程中，產生創造成果并不是盲目地去努力，也不是依靠漫然和偶然而等待它的到來。思維創新成果的形成是因為它是一個量的積累過程，如同化學中的吸熱反應。當積累達到一定量時，就會有質的飛躍產生，這時就產生了思維創新成果，即釋放出能量。

圖2是把一般反應進行過程改為獨創性形成過程的結果。從圖上可以看到，初始處于平衡狀態，由于反應過程中吸收了能量，使兩種狀態之間發生了很大的變化。能量的積聚，不穩定因素增強，活化能增加，即創造能力在增強，其內在因素勢壘也在發生著變化。只有在吸收的能量高于勢壘（barrier）的能量時，才可克服勢壘（能量差%=E），隨即釋放能量，即達到創造后的狀態。這其中存在著混亂、偏離無秩序、不安定、偶然性等。即思維創新的全過程也是個熱力學過程^[21~26]。

即對于現在的秩序，憑著從外界得來的隨機能量也就是吸收了能量而形成不安定狀態。如果不存在這個隨機能量，現秩序會處于一種靜止的狀態。這樣所發生的躍遷起初雖然很小，但同時間一起膨脹，直至擴大到超過勢壘%=E，那時會開始形成新的秩序，即完成思維創新過程取得思維創新成果。這樣從混亂無序到新秩序產生的這段時間稱為起始時間。

在這里舉一個例子：人們常常會忘記他人的名字，那是因為為了形成想出新秩序而做著直接移行的努力，所以，想不出來是理所當然的。為了想起那個名字，暫時停止一下所做的一切事物。思考一下跟這個完全不同的事情，而擾亂一下思路，這樣既可以增大吸收能量也可以有希望翻越勢壘。如果給予起始時間的話，會有可能突然想起那個被忘記的名字。如果大家試驗一下的話，可以看出他的確很有效。

可以在生活中汲取一些更形象生動的例子。海森伯是20世紀一位著名的物理學家，他曾經生動地描述過一段話，筆者認為這是翻越勢壘的很好理解。爬山的時候，你想爬過某個山峰，但往往到處都是霧……你有地圖，或是有鎖鏈導引，可以直接到達你的目的地，然而你仍舊墜入霧氣之中。忽然你模糊地，只在數秒鐘的功夫，從霧氣中看到一些物體，你說：“哦，這就是我要找的大石”。整個情形自此發生了巨變，因為雖然你不知道能否爬上那塊大石，但那一瞬間你說：“我現在知道我在什么地方了。我必須爬近那塊大石，然后就知道該如何前進了。”

愛因斯坦曾說過：“知識的組合游戲是積極思考的特質。”思維是人類運用知識的一種活動，將不同的知識、信息進行重新組合能產生新的知識，這是具有科學思維的人所特有的創新能力。三國時期的諸葛亮，27歲時就被劉備聘為三軍統帥。憑什么呢？主要是在三顧茅廬時，諸葛亮對劉備講述了恢復漢室江山的未來規劃。在古代社會，若僅是一個談古論今的書生，而不曉天文地理之常識又怎能當得了三軍統帥。諸葛亮為劉備確立未來的發展目標是以四川（巴蜀）為大本營向東北方向擴張，這是個創造性思維，得到了劉備的賞識。而實質上當時的獻計、出謀劃策就是當今所說的創造性思維，而在當時把科學技術的這種發明創造僅僅視為是雕蟲小技。而劉備欣賞諸葛亮的恰恰是他的知識結構和創造性思維的能力，并以此斷定諸葛亮在以后的戰爭中一定會做出神機妙算，因為他能夠運用自己的知識創造性地解決問題，具備了創造性思維。此例就能很好的解釋圖2，諸葛亮遇劉備前積累了能量，而遇劉后則能量釋放，思維得以充分的發揮，這就是有了量的積累才會有質的飛躍的最好理解。面對當今社會的發展動態，社會上恰恰需要的是能夠獻計、出謀劃策的人。應該開拓思維，培養思維創新能力，來更好的適應社會的發展，推動社會的進步。

從以上吸收能量可以看出秩序形成的現象有那種偶然和必然的關系。在這方面最典型的例子是量子力學。即一個特定電子的舉動是屬于偶然，它沒有什么法則和規律性。當然，也不可能預測他的舉動，但多數電子宏觀性質支配于schroedanga的方程，所有的正確而必然的法則。即微觀的偶然多數的積累，在宏觀世界里必然法則性而顯露出來。

回到原來的話題，稍深一些思考一下無序到新秩序的形成，即起始時間。這是解決下面非穩形微分方程的問題。

隨機的力、初期吸收能量的成長過程，在起始時間變短情況下，新秩序的形成即創造力的發展會變得容易。但是不管變大還是變小都需要時間，所以，這就意味著在創造的事業上不能定期限。

從吸收能量中發生秩序是因為大的熵變小的緣故。這個現象讓人覺得他好像違反了原則。但是，關于這個問題有天文學者的援助，即地球上重力的場所，如果熵增大，集中在均一系的核心部分和分布很薄的外殼部分會相互分離，可以看出熵變小的現象。即發生在混沌的宇宙中或地球上，地球上有生命的存在就是這個緣故。

也就是說，人以非可逆開放體系而生存，必須不斷地從外部吸收物質和能量，又以新陳代謝的方式排出體外。這樣既流進又流出的能量不是單以改變形狀流動而生產或消減的，而是人體積累的熵在逐漸增大，必須向外釋放出來才能維持生命，而在釋放能量的同時，人的思維也在發生著變化，具有了創造的潛能，創新性思維也已經形成。

因此，創造力從思維創新熱力學原理來看，每個人都作為一個獨立的個體和外界交換能量，每個人都具備創造潛能，但要看你自己怎樣去開發。

6結束語

1）從思維主體看，人的思考結果由大到小，水平由淺到深，能量由少到多，只要積累超過思維創新的最大勢壘（能量差），就已完成一個創新成果；

2）通過負熵的概念，把人的一生所取得的成果都已經確定下來，但是只要改變創新主體的知識水平和認識能力，就可以提高創新成果的水平。改變創新環境和組建創新團隊，就可以提高創新成果的數量；

3）深入研究思維創新熱力學，有利于從定量角度支持思維創新系統工程研究。對于加強自主創新和新產品開發及創造、創新、創業教育有重要的成果意義。

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