格物论（二三） 格物（四）_风闻

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科学视野

站在科学大陆上，可以看到什么？

人们看到了这个物质的世界，包括头顶的星空、脚下的大地、山川河流、自然造物（生物和非生物）、以及人工造物；看到了人和人类社会；“看到”了数学的世界；看到了物质世界的表现为数学的种种规则（规律性）。人们把规则表述为天道，虽然并不能从造物者那里得到永恒的保证；把自然中实存的万物归于实践，它们是天道之下可能性的实现；把人类归于社会，智能展开了超越肉体进化的新的现实：组织相关的伦理、道德、政治、经济、文化…。（社会，当然也在科学的视野之内，科学自身也推动了社会的变革。但社会及其变革中存在的规律性不是自然科学可以承载的。）

星空在流转，大地在漂移，山川河流在变迁，物种在演化…。某种意义上讲，世界上并不存在“静物”。仿佛没来得及命名，事物已经改变（人不能踏进同一条河流）。这也是古人追寻天道的最大的阻碍（这种困难造成了‘本体论’的出现），直到人类走进科学时代。科学重新定义了测量，基本物理单位的量子化，为人类重新定义了万物的尺度。科学尺度，至少可以保证在人类可以理解的时空范围内的一致性。基本粒子的同质性+稳定性（实验结果显示，如果质子真的会衰变，它的寿命绝不会低于1033年）值得信赖。如果有神迹，那就一定是科学所定义的时间尺度下的规则的变更（这是不可能的，规则变更意味着远大于’天崩地裂‘程度的灭世）！科学找到了可靠的锚地，至少在可理解的时空之内如此。这种可靠性仍不及造物主的保证，但在神迹缺席的尺度内，科学可以保证。

为自然界中确乎流变的万物命名，仍然是有意义的。这也是语言的源头。语言不是为科学而生的，但最终要通过实践容纳科学及其思想。相对于规则的永恒，万物是流变的，但人类不能指望把生活中的万物都解析成基本粒子并给予编号，因而只能接受“概念”所必然包含的变动的历史。当人们说“苹果”时，苹果的历史（发现、移植、改良等）已在其中，只看是不是需要翻开来查阅。这种无穷多的内涵普遍存在—“概念”都是如此！甚至可以还原为低一层级的运动变迁（比如转基因，比如利于健康的营养成分表）。但也因此，命名具备了还原性，即可以由科学体系给出的“有序”。

忽略核运动，自然界的运动形式：物理运动、化学运动、生命运动、社会运动，复杂度指数上升。后者是前者的“涌现”，一如屏幕上的点阵着色构成的你正在读的文章。不同运动需要用不同的数学工具来表达，但人们确信数学的一致性（化学规律用物理方法演算必定可能，只是不需要）。层层递上的涌现关系，以及数学的一致性信念，使得人类关于自然的知识可以贯通，于是世间万物可以理解（还原到元素周期表），并在此基础上构建博物学。

科学是人类的无止境的攀登（实践），留下一路的风景。人们在科学之路上，期待发现新的规律性，并持续为所见的事物排序、命名。每当发现“博物表格”之外的事物时，人们会重新审视规则、扩充表格。攀登和审视几乎就是科学之路的实况。对个人来说，理解科学，就要查阅全部的三份文档，从而代入科学之路的实况之中。

在理解科学的基础上，人们或许会偶尔小憩，总结、远望、思考。愈是思考，便愈是心怀敬畏：原来已经走过了如此悠长的路途！原来路途是如此曲折！原来期望的“登顶”只是打开了新的视野！原来前方还有无数的风景！

规则

数学本身即是规则。既因为它是理性本身，人类除此无他，又因为人类坚信数学与世界的绑定关系可靠，科学已自立。规则不是由原子构成的实物，但只要人类的实践存在，规则就是实存。以唯物的观点看，规则是规律性在人的意识中的反映，因时空而存；以唯心的观点看，规则是人自有的和领悟到的规律性，因共识而存。人类能在实践中发现规则，这件事本身要求：规则及其所来自的时空、人的自知、认知（能力）等不需要外部的背书，它们都是规则本身。

科学的发展，深刻影响了人类的世界观。这种影响是通过人类的视野的展开实现的，仿佛游戏中的地图不断打开，人们对世界的了解也逐渐加深和扩展。不敢说当代科学的视野就是全面的，但对科学视野的视而不见必定是片面的甚至偏执的。可以说，科学史就是人类视野拓宽的历史，也就是人类基于智能（超越肉体）的进化史。科学上的重大突破，可以类比于个人成长中的里程碑，人类作为一个整体也在经历中成长（世界观在成长），就像那个摸象的盲人。

文字、印刷术、计算机革命等等，都可视为人类成长过程中“记录地图”能力的里程碑。每一个台阶，都意味着地图的规模和清晰度的大幅提高。不可低估阿拉伯数字引发的数学符号体系，它使得数学知识在语言中独占一域，它的作为台阶的意义不亚于文字！符号体系显然是语言的，但本质是数学的，它让数学世界中的景象可以映射到人类的语言中。如果非要类比，那么数学符号体系使得“地图”立体化和矢量化：游戏中的地图可以进化成谷歌地球，人们可以从不同角度和不同高度上使用这份矢量化了的地图！现代科学体系借助立体、可视、各向同性的新地图，得以清晰表述。

牛顿力学基于绝对时空观（伽利略变换），第一次用数学表达了机械运动的规律性，解释了行星的运行。人类身边时刻发生的各种运动，在牛顿这里被归纳为三个运动定律以及万有引力定律。人类第一次可以如此精确地把握世界的运行。从此人们开始相信数学与这个世界的绑定关系，也即现代科学的真正起步。哲学上，牛顿体系强化了决定论观点，同时却又把“神”赶出了太阳系。

开尔文被称为热力学之父，他在前人研究的基础上，确立了绝对温标，并与克劳修斯一同提出了热力学第二定律，即熵增定律。热力学并不追究由大量微观粒子组成的物质的微观结构，而只关心系统在整体上表现出来的热现象及其变化发展所必须遵循的基本规律。热力学是统计数学，质量、温度、压强、体积、功等宏观概念由热力学连通了微观世界。

麦克思韦统一了电动力学，在物质世界中引入了“场”的概念。电场与磁场相互转化中的优美对称性被表达为数学方程。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了一种信念：物质的各种相互作用可以在许多层次上统一！麦克思韦方程的一个重要推论是真空中光速不变。麦克尔逊-莫雷实验证实了这一结论。

爱因斯坦基于光速不变原理和惯性系平权原理（洛仑兹变换）建立了狭义相对论，惯性系统相对的尺短、钟缩效应成为科学的常识；基于等效原理（加速与引力同质）与广义相对性原理（规则不因参照系而变），建立了广义相对论，水星进动、引力透镜、引力波都已得到证实。相对论体系展示了一个不同于人类直观的时空观，把人类的视野延伸到了浩瀚的星空。相对论的正确性不容质疑，人们每天用到的卫星导航，如果没有相对论修正，误差将不可接受；质能方程若不成立，核武器、核能利用也不可能存在。

波普尔归纳了牛顿到爱因斯坦的科学革命成果，确立了范式革命的科学和哲学意义。科学的革命，不是推翻什么（民科常见），而是向前兼容，即通过拓宽视野，使得前式成为后式的特例，前式在规定的条件下仍有效（生活中常识在科学时代仍是常识）。

普朗克假设了黑体辐射中能量不连续（量子化），用以协调两个辐射（长波和短波）公式。他的工作有两个重要启示：一是微观领域的量子化，二是物理问题可以用数学拼凑的方法来求解。这两点的哲学意义都极为重大，前者继相对论导致的宏观尺度不再直观之后，引入了微观领域的不再直观（物质竟然不是无限可分的）；后者则进一步预示了数学与物质世界的绑定关系：居然可以先从数学公式开始研究这个世界（这一点与广义相对论异曲同工）。

没有人能真正“理解”量子力学。测不准原理：两个共轭的物理量（位置-动量、能量-时间、角动量-角度）不可能同时精确测量，就像天平，当你试图压下一端时，另一端必定抬高。微观粒子的波粒二象性（既是粒子又是波）、半整数的自旋（你能想象转两圈才能‘回正’的球吗）、双缝干涉实验中的测量悖论（观测影响实验结果）、糟糕的跃迁（不可描述的过程）、真空中的量子涨落（凭空造物）、量子纠缠的超光速悖论（不是真的悖论）…。似乎在亚原子尺度上，有某种规则限制了探测，就像隔着一层毛玻璃幕墙，影影绰绰（是透过来的真实，还是观测行为的倒影？）似乎发生了什么，又总是无法看清！

不可否认，量子力学对微观世界的描绘是成功的。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键地依靠了量子力学的原理和效应。现代固体物理学、化学、材料科学或者核物理学等学科，全部是建立在量子力学之上的。

二十世纪以来的物理学的主攻方向之一是大统一理论，希望把基本粒子之间的四种相互作用（引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用）统一起来，但至今尚未成功（引力不服）。事实上，“力”究竟是什么，科学的回答至今未能消除牛顿的疑惑：我不知道（万有引力）是什么，只是确信我们可以这样计算它。粒子物理关于力、质量的解释更像是纯数学的演算；至于弦论，则更是对基本粒子性质的数学演算，直至引入难以琢磨的11维空间。

原子的“直径”大约为10-10米，原子核的“直径”不大于10-15米，而夸克的“直径（如果还可以称为直径的话）”不大于10-18米。基本粒子尺度上，大型强子对撞机已是当前人类探测能力的极限，人们并不确认这种尺度上的测量的可信程度，也不确信可以继续拓展探测能力。科学越是“向前”，“能见度”就越低（暗物质、暗能量、量子纠缠、奇点、热寂等，如何达成科学所要求的‘眼见为实’？或许质子的衰变只是某种‘生物’体内的机能—比如消化，但这种‘机能’已非人力所能观测和理解），以至于科学工作者开始怀疑到达了某种“边界”。

值得庆幸的是，量子效应在宏观尺度上并不显现。至少，芯片的工艺已经到达3nm，几十个原子的尺度上，量子（隧穿）效应不显现（否则3nm芯片就不可能存在）。尽管核外电子跃迁过程仍不可描述，但跃迁能级所定义的原子光谱是确切的，不同元素具有不同的特征谱线，就像它的指纹，人类因而可以用光谱来分析恒星的成分，可以利用红移（波长增大）和蓝移来测量星体的相对运动。事实上，人类的触手从未超出太阳系，如果没有光谱学，天文学将难有作为。

科学的前行，有两个方向（的阻力）：能见度和复杂性。前者要求“观测”能力，后者要求“计算”能力。前者至少表现在以下四个方向上。①宇宙学（宏观）方向，人类所依赖的光谱学，在“暗”和“遮蔽”面前显得无能为力：（太阳）系外行星的寻找是一个难题，原因在于行星不发光（反射和散射不够强）；暗物质（暗能量），宇宙尺度的计算显示其存在，但其暗的本质造成了遮蔽；黑洞，人们可以建立数学模型计算，但其禁光（光不能逃逸）的本质使得其内部被遮蔽。②宇宙学（时间）维度，科学观测是在时间轴上进行的，而科学所在的“时间”是有限的，未来不可见！普朗克时间不可再分！③基本粒子（微观）方向，人类并不能无限扩大对撞机的半径（物理和工程学限制），导致人类面对基本粒子的尺度时，“眼光”变得“模糊”，进而“可疑”。④地球物理（工程）方向，深海和钻井都受到人类工程（材料）学的限制，地球内部究竟如何（也许地壳下层铺满黄金），人们并不清晰。

复杂性方向，人类的数学能力有限（并不是数学自身有限），导致人类面对复杂场景时难以计算（自变量太多、方程无解、没有方程…）。天气、地震、环境、有机化学、生命…等方向及其延伸，都是人类不能计算但又不得不面对的。与纯粹的能见度方向的情况不同，复杂性方向上，人们坚信当前这些难解的领域只是数学的难解，但理论上仍是“贯通的、可解的”，可以放心地交给“自然”这位终极的“数学家”。相信那些复杂难解的领域仍在科学范畴内，但或许暂时的知难而退、另辟蹊径才是理智的和科学的。于是人类需要并允许科学之外存在知识，而不必担心制造麻烦。按照波普尔的范式理论，现代科学对人们关于物质世界的知识是向前兼容的（剔除那些不兼容的内容，比如轻重铁球不同时落地）。也许随着超级（量子）计算机的发展，人类可以在更强算力的加持下，让科学真实地向前推进，也许到时就能科学地解释“川菜烹饪原理”了。

有限本体

科学思想本质上是还原论的。还原论或还原主义，是一种哲学思想，认为****复杂的系统、事物、现象可以化解为各部分之组合来加以理解和描述（出自蒯因《经验论的两个教条》）。科学的还原论思想可以看作是一种有限本体论路径。与西方哲学的真-本体论不同，科学试图找到这个世界相对可靠、可见的本源。量子力学前沿，与其说是困境，不如说是人类对极限的试探。多数物理学家认为，量子力学所表现出来的奇异性（波粒二象性、不确定性、量子涨落等）不是人类探测能力的问题，而是规则如此。就像光速不变原理，人们最初只是以为测量了光的行进速度，但在相对论中，它是规则本身。也就是说，人类在量子领域所感受的毛玻璃幕墙，不是外加的，而是微观领域的自性，因而无法移除，科学的尺度或许至此为止。以作者有限的学识判断，整数或许是这个世界的边界（简单才是美）。

既然下一个尺度尚不可达，那就退回原子层面，即把这个世界的有限的本体设定为元素周期表，更微观的基本粒子领域暂不追究。建筑物打造地基，当然希望越牢靠越好，但打穿地壳就不好了，岩浆是软的！何况地壳已足够支撑人类可以想象的任何建筑，何况建筑物不仅受限于地基，太高了风也不答应。

这当然不是对科学前景的悲观或试图阻止科学的探索，而是对于哲学来说，原子层面的同质性这一地基已经足够支撑起人类任何的想象。由不同元素构成的这个物质世界也已经足够丰富，而以此为材料也足以完成人类想象的建筑。至于科学前沿的那些不解，包括不确定性、坍缩、跃迁、波粒二象性，以及引力、电磁力的有效尺度（麦克思韦方程在10-7米仍证实有效，广义相对论在可观测宇宙尺度有效）问题，到时再说。不妨选择掩耳盗铃，暂不关心亚原子和宇宙大尺度上的科学前沿，而以元素周期表作为这个世界当前的“有限本体”；选择相信未来科学的向前兼容：“有限正确”是特例而不是错误。地球、生命、智能都可以放心还原到元素周期表。

科学的目的是追寻这个世界的有限的本体，即为纷繁的现象提供统一源头的解释。在理解这个世界的基本规则的基础上，可以尝试理解世界何以如此或必然如此，即从科学所认定的有限的本体出发，如何实现所见的世界，从而形成完整的科学的世界观（世界是一个整体）。物质和能量是两条明确且可信的路径，两条路径上都有科学已经揭示的规则。这些规则使得这个世界的不同层面的现象可以还原到有限的本体，也即世界可以从有限的本体逐层向上涌现。

物质路径

与还原论思想相对的，是整体论。《上帝与新物理学》：过去的三个世纪以来，科学思想的主要倾向是还原论。的确，“分析”这个词在最广泛的范围中被使用，这种情况也清楚的显明，科学家习惯毫无怀疑地把一个问题拿来进行分解，然后解决它。但是，有些问题只能通过综合才能解决，它们在性质上是综合或“整体的”。这让人想起亚里士多德的四因说，即认为事物的性质由形式因、质料因、动力因、目的因决定，其中目的因是终极的，自然界的每一件事物都有其目的。四因中，质料与动力导向还原论，而形式与目的则导向整体论（可见古今思想者的见解是相通的）。

完整的科学思想，或者说哲学所指的科学思想，是应当包含还原论和整体论的，是二者的统一。哲学更关心后者，但没有还原也就谈不上整体论，于是哲学必须理解科学，否则思想就是空中楼阁。把元素周期表作为“有限的本体”，以此为起点可以辨认整体论的脉络（目的性），即这个世界实现的物质路径。

元素周期表是原子量从小到大排序的化学元素列表。现代化学的元素周期律是1869年俄国科学家门捷列夫首先提出的，他将当时已知的63种元素按原子量大小以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成元素周期表的雏形。经过多年修订后才成为当代的周期表（自然界103种+人造15种共118种元素）。周期表中每一行作为一个周期，每一列作为一个族（Ⅷ族包含三个纵列）。元素周期表的发现，是化学家注意到了不同元素性质的相似性和差异性，并用表格加以归纳（也是一种数学拼凑）。元素性质呈现为“周期”和“族”这件事本身，预示了背后隐藏着某种整数意义，以现代人的眼光看，隐约就是量子的精神。

现代化学的基础是元素周期表，各元素如此这般的性质，主要的原因是核外电子（最外层和次外层）轨道的能级和容量不同（泡利不兼容原理），这是现代物理学已经确认的。无需查证科学家是否已经给出了所有元素核外电子能级的精确计算，或者给出了元素性质全部的核物理学证明，这并不影响现代化学的根基，只要知道其机理在此就行（可靠性得到了物理学的保证）。

元素依靠化学键结合。化学键是纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间的相互作用力的统称。化学键的作用，可以类比木质建筑中的榫卯结构，元素之间的化合，就像是这种榫卯相合。氧原子有2个空位（卯眼），恰好可以容纳2个氢原子的突出（榫头），于是氢氧可以结合成为水分子（H2O）；碳原子上有4个榫头，于是需要2个氧原子结合成为二氧化碳（CO2）…。可以形象地认为原子就长这样！而这种“长相”是由量子领域的泡利不兼容原理保证的，是这个世界的最底层的规则（之一）。当然实际情况要复杂得多（比如榫卯的相对性，碳和氧相接时是榫头，和氢相接时是卯眼，碳自相接时互为榫卯）。化学键可分为离子键、共价键、金属键，各自有不同的成因和机理，但“可靠性”是相同的。

因为有了化学键，化合物（单质是同种元素的化合）得以生成，这个物质世界才可以如此丰富！1个氧原子与2个氢原子结合为1个水分子，这一过程是物理过程，可以用物理方法描述。但氢气燃烧生成水的化学过程，就不再适合使用物理方法来描述。从最基本的化学反应开始，就要用到不同的表达方式了。化学反应可以认为是大量单个物理过程所发生的“涌现”。这种关系，可以类比联想沙漠中的沙丘（或太平洋的海浪，或天空中的云），人们知道沙丘是由沙子组成的，也相信如果给每粒沙子编号并跟踪，就可以描述沙丘的运动，但不会这么做。沙丘移动是一个宏观现象，其中的规律要靠对沙丘整体的观测和归纳。同样的，人们用气象卫星来观测云图动态并进行预测，所依据的是宏观的经验，而不是对每一个水分子的编号跟踪。因此，并不能说因为化学过程可以由物理来解析，化学就不重要了，或者说有了物理学就够了。人类的知识，大量的还是这种统计的或经验类的，除非某种经验被科学置否，否则它们同样宝贵。

一般来说，除非是在实践中发现了矛盾，否则没有必要去用跟踪原子的方法验证生活中的经验。

由元素（原子）组成的物质的物理性能，常用的包括密度、熔点、沸点、硬度、导电性等等，都是此物质的分子（原子）结构决定的。我们可以计算它们的上述物理性能。比如硬度，自然界最硬的物质是金刚石（莫氏硬度为10），这是由其中化学键强度（C-C键很强）及其晶体结构决定的。也就是说，在自然界，硬度这一性能是有上限的（传说中的削铁如泥的宝刀并不存在）。比如熔点，钨金属3422℃，已知熔点最高的五碳化四钽铪（Ta₄HfC₅）4215℃，人们并不确定已达极限，但材料学的熔点显然存在上限。现代科学为“性能”划定了界限，也就为宏观世界的可能性规定了边界，也就为魔法、异能、内功等等玄幻规定了边界：它们只是童话。

水在本质上是氢氧化合物，但水的性质不能由氢和氧相加得来。人们关于水的知识也不因原子物理学的发现而忽然变得不适用，也不会用燃烧氢气的方法获取水。当然，水的性质是可以用原子物理理论解释的，但除非必要，科学家是不会这么做的，这是在数学上找虐！推广开来，各种化合物的性质，也不是推导而来，而是从该化合物使用的实践中来。科学只是提供一个可以接纳的平台，允许不同层面的知识经过解析后还原到“有限的本体”上来（现代科技的造物能力有限，但‘分析’还是可能的）。

化学平衡是化学反应中一个重要的概念，是指****在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应的正逆反应速率相等，反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。化学平衡是—种动态平衡，即当条件（如温度、压力）改变时，反应会跟随达到新的平衡状态。可以类比想象一个实验：纱窗上被扎了一个蚊子可以通过的小洞，经过一段时间，房间内外（假设都没有人）的蚊子密度会趋向相同，即房间内外蚊子数量达到了动态平衡（进出的概率相等）。化学平衡概念之所以重要，一方面是因为“动态平衡”在物质世界是一种常态（事实上，‘静物’本身，或者说可以被观察的状态，都是动态平衡而非真的静止），不只化学反应中存在；另一方面，平衡，意味着统计，意味着一个大基数之上，可以忽略个体和过程，而把平衡状态表述为一种涌现的实存。比如氢气燃烧反应，并不是氢、氧分子排好队一一配对，而是大量杂乱无章的碰撞，这种碰撞次数多到了可以忽略配对的过程，呈现为统计上的必然；再比如盐的溶解（这不是化学反应）,其中的平衡即呈现为溶解度、饱和状态。这种必然有时会呈现出目的性或设计感，比如上述思想实验中，蚊子是怎么找到小洞的？蚊子是怎么知道房间内的同类已经和外边一样多了？比如生命体中，那些精巧的“选择”、恰到好处的取用规则。

数学上讲，打字机上的猴子可以在无限时间中“偶然”打印出莎士比亚全集；所有的电话号码都会出现在π中…。所以，有序并不一定是人为，而只是大基数上的“涌现”。最简单的单细胞生物，体内也在时刻进行着成百上千种化学反应，这些化学反应通常是可逆的，因而细胞内部事实上是许多平衡共存的，当某种成分浓度增大时（比如进食），会趋向新的平衡。如果把这些平衡绘成曲线，那么生命中会有成百上千条相互交织的曲线。可以把生命活动看作是化学运动的“涌现”，因而很难再以化学方法来看待生命。现代医学因而是需要极端谨慎的（药物的双盲实验），化学只是为生命科学提供可能，而不是必然，即使我们可以在药品批准后给出化学解释，也不一定可以标注为“正确”。生命运动的复杂度已经超过可以计算的范围，这一点上不同于单一的化学反应。

以碳为“骨架”的化合物是有机物（与无机物相对，请自行百度相关化学知识）。有机物是产生生命的物质基础，包括脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激素等。按照有机化学理论，随着碳骨架的增大和官能基的增多，有机化合物的功能性逐渐涌现。直至蛋白质和核酸的出现，这是有机物与生命之间的分水岭。蛋白质是由α-氨基酸按一定顺序结合形成一条多肽链，再由一条或以上的多肽链按照其特定方式结合而成的高分子化合物。核酸是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的总称，是由许多核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物。可以从分子量大致判断它们的复杂程度，水的分子量是18（即每摩尔水分子的总质量是18克），汽油（取异辛烷）约为114，蔗糖约为342，蛋白质则是从一万起步至数百万不等，人类DNA是含有2.47亿个碱基对的巨大分子。

对地球上的生命来说，蛋白质是“功能”的提供者，而核酸是蛋白质复制过程（遗传）的监管者。至今未发现只有蛋白质没有核酸的生命。最原始的生命，病毒以核酸为主体，蛋白质只是其外壳。

蛋白质与核酸显然拥有其化学结构所规定的“化学性质”，但对生命而言，其意义已不再是化学，而是其所涌现的生命所需的“机能”。蛋白质和核酸的发现，尤其是遗传现象的化学过程的发现，为进化论作了科学的机制描述，从而使进化论学说的科学性呈现。从而使得生命现象可信地还原到这个世界最基本的元素上。

进化论思想包含了“涌现”。过度繁殖即意味着大基数的可能性，自然选择意味着从这些可能性中的挑选，尽管没有"神"在照看或点拨，自然选择依然表现出了目的性和设计感。达尔文之前，人们也注意到了物种之间的相似性和差异性，并开始追寻其中的原因，比如用进废退学说（不断伸长脖子的鹿），就是目的性偏好的。人们更愿意接受达尔文的进化论而不是用进废退学说，主要原因是进化论思想符合哲学和科学的精神，这种一致性是本源的。

进化论还包含了涌现之上的整体论思想。生存竞争、自然选择，都不是可以简单描述的过程。物种面对的是包含了其他物种的整个的自然，人出现之后也包括了人（比如宠物，比如农药）。自然选择的至今的结果人们可以看到，但未来如何却是难以推断的，原因就在于选择主体的不可精确描述并且自相关（每个物种都是自然的一部分），大自然是一个复杂系统，而智能的出现又大大增加了复杂程度。地球上生物进化的过程，是一个相互作用的类似挤压的涌现过程。地球生命自诞生之后就面临着生存竞争，既有对环境的适应需求，又有同类相争压力，再有生物链上的相互制约。挤压（涌现），造就了千姿百态的地球生态。这个世界如此，是地球环境宜居之后的涌现如此。

自从人类占据地球生物链的顶端，世界上出现了新的造物：工具。工具延伸了人的能力：感知和操作，等价于人本体的能力拓展。工具，使得人类的感知和操作能力得以“进化”，现代人类仿佛已是超人，拥有远超基因进化（肉体允许）的能力。

从地球生态的最底层无机物开始，可以描绘一条物质的路径：无机物->有机物->生命机能（蛋白质等大分子）->细胞类->生物（动物植物等）->人->工具（人工造物）。当前，人类已走过实物工具阶段，开始用半导体技术延伸自己的智力。

生物种类从简单到复杂，从低级到高级，直到人类出现，又开始了超出基因规定的肉体限度能力的新的进化阶段。而所谓进化，指向的是生命体对资源（能源）的占有和使用效能。

能量路径

太阳作为一个恒定能量源，数十亿年为地球提供能量输入，这些能量如同千米瀑布，溅起数米高的浪花，即生命（负熵）。沐浴在阳光下的地球，其生态是一个有限资源系统。地球生态的多样性源自生存竞争，物种在生存“挤压”之下异彩纷呈。将地球当作一个系统，我们可以从能量的角度来观察和讨论。

热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科，理解热力学（其根基在于统计数学，因而是正确且广泛适用的）也是理解这个世界可行路径。

热力学第一定律（能量守恒定律）：在一个封闭系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。

热力学第二定律的熵增表述为：孤立系统的熵永不减小。即能量不能自发地从低温物体传递到高温物体，也即禁止了永动机。

热力学第三定律：不可能达到绝对零度。

考虑地球的形成过程，引力势能转化成热能，地球形成初期曾经高温炽热。到现在，也只是表面冷却形成地壳，地幔及以下还是高温的甚至是熔融状态的（可以解释地球磁场的形成机制）。形成初期的地球环境对人来说可能是严酷的，但或许就是这种非宜居的环境（高温、高压、放电…），才使得有机物形成，生命的基础，氨基酸、核酸等得以形成，在地球环境变得宜居后生命得以出现。

由于有太阳的存在，地球不是一个孤立系统，而是沐浴在阳光下的，有外部能量输入的系统。总的输入功率约为17亿亿瓦，绝大部分散射掉了，只有1‰被地球利用（主要是光合作用）。也就是说，地球生态吸收太阳能量的效率是极低的。光合作用是绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程**。**化学层面，光合作用是与氧化反应相对的还原反应。物质层面，光合作用把地球上的分立的碳原子（CO2）拼接成碳链（有机物）。能量层面，是把光能转化为化学能储存在有机物中。

如果以人类是否可以利用作为“能量好坏”的指标，那么，地球生态本质上是消耗了好的能量（高能光子以及化学能），放散了坏的能量（低能光子）。虽然总量上看地球接收和放散的能量近乎相等，但放散（比如动物的热辐射）的能量不能再次被植物吸收，因而生态中的能量利用是不可逆的。宇宙看作一座水电站，值得庆幸的是水库蓄水足够多（宇宙物质以氢为主），发电量正好满足在类地行星上创造宜居环境，并且这个发电量消耗水的速度不快使得库存水量可以长期支持这种消耗（十亿年大于人类社会的‘永恒’）。

大气中氧的浓度约为21%，二氧化碳约为0.04%。从物质角度看，氧化反应（如燃烧、消化）产生CO2，还原反应（光合作用）消耗CO2；从能量的角度看，氧化反应是释放化学能，而还原反应是吸收光能转存为化学能。可以把地球上广泛存在的氧化还原反应想象成蓄能水电站的发电（放水）和蓄能（抽水）机组，大气就相当于蓄水池。氧化机组释放能量，还原机组储存能量；动物对应氧化机组，而植物对应还原机组。当空气中的CO2浓度增大时，有利于植物生长。人们把森林称作氧吧，但过高的氧气浓度更易发生森林火灾。能量的规则也在大自然中涌现，表现为维护某种动态平衡。

更大时间尺度上，大气的平衡也在被维护着。地球曾经有过四次大的冰河期，有研究表明，第一次冰河期（休伦冰期）的成因是蓝藻的大爆发，使得地球大气中氧的浓度升高，温室气体CO2浓度降低：地球的棉被消失了！第一次冰河期持续数亿年，直到火山喷发冲破冰盖并释放出大量温室气体。蓝藻成功地把自己杀死了！按神创论的观点：“神”认为蓝藻这种生命太单调了（并且清除起来太麻烦），于是欲擒故纵，使得蓝藻疯长进而灭亡，终于冰封了地球…。长期冰封的地球也不好玩，于是又引爆了火山，地球生态死气沉沉的样子过去了，这驾陷住了的马车终于又启动了…。

人类越来越大地影响着地球生态圈。工业革命本质上是能源革命，把地球积累下来的化石能源（煤、天然气、石油等）开采出来并使用其中的能量。人们并不确定上述平衡移动的目标，但还是应当重视节能减排、造林绿化、防火减灾。个人长大成熟，表现为对自己的行为负责；人类长大，也应负起责任，学会更好地与这个世界相处。节俭，或许并不是一个永远的褒义词，但道家所谓“不敢为天下先”是与自然相处的首选原则：少给自然添麻烦。

能量视角下，生命的本质是“负熵”。负熵的产生，本身意味着能量的大量“浪费”，即极低的“效率”。地球生命所能利用的功率低于太阳对地辐射功率的千分之一！以人类现有的认知，宇宙的能源梯级是：正反物质湮灭、核能、化学能、内能（机械能）。其中，正反物质湮灭是质能方程的直接实现；核能是“松散型”原子核重组成“致密型”原子核从而释放能量（或原子核重组过程中损失的质量转化为能量），效率约为前者的1%；化学能是“松散型”分子重组为“致密型”分子从而释放能量（也可以理解为分子重组过程中损失的质量转化为能量），比核能低约7个数量级（千万分之一）；内能是分子运动所标志的机械能，通常要远小于此物所包含的化学能（比如常温下的氢气，其内能要远小于它燃烧提供的能量）。内能又通常大于该宏观物体的动能（也是机械能），比如一滴雨，它的内能通常比它的动能大两个数量级（由于空气阻力，雨滴的速度通常不大于50m/s，而常温下的水分子的速度约10倍于此）。（陨石的动能可能会大于它的内能，陨石坠落的速度可能远不止数km/s）。

地球生态中可以忽略核能和质能的影响（自然界中放射物质裂变始终存在，但其总量相比其他能源可以忽略不计）。也就是说，地球生态的能量之轴是化学能。能量的囤积和使用过程表现为生物链（食物链）：植物-食草动物-食肉动物-分解者。生态系统中各种生物为维持其本身的生命活动，必须以其他生物为食物，这种由生物联结起来的链锁关系就是食物链。食物链实际上是太阳能从一种生物传递到另一种生物的关系链条，也即物质能量通过食物流动和转换的路径。稳定的能量传递链条，呈现为生态平衡。生物之间的能量传递关系，可以组成一张复杂的网络，（表格）节点就是各种生物，这是博物学分类可以依据的一个自有体系。

按照宇宙大爆炸学说，整个宇宙也是一个能量阶梯，即以轻核为原料的能量消耗过程。引力使星云汇聚，并最终点燃氢核聚变，形成恒星；较大的恒星“燃烧”剧烈，从而寿命较短。超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁元素不再能通过聚变释放能量，相反，铁元素聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩。恒星演化的下一步机制并不明确，但没有超新星爆发的话，地球上比铁重的元素不会存在。

只要宇宙中的氢元素足够丰富，上述过程会重复发生。

热力学第二定律，即熵增定律，可以描述宇宙的演化过程。能量的阶梯是单向的，生命只是宇宙能量大瀑布之下的浪花，最终也要尘归尘土归土。熵增定律关于宇宙的热寂的推断是令人绝望的，数学上的永生是不存在的！如果把宇宙想象成一张二维的大饼，那么时间指向的就是摊薄和变冷，直至宇宙中近乎空无一物（想象一下整个太阳系这么大的空间中只有一个粒子）。

纪录片【人类消失后的世界（Life After People）】推演了地球生态的未来。如果无人维护，钢铁会锈蚀、水泥会崩散、塑料会分解、玻璃会破碎…，在不到两万年的时间里，人类存在的痕迹将从地球上消失---这就是熵增的威力。人类为对抗熵增付出了极大的代价，或者说人类的主要生产活动就是创造（熵减）和运维（保持），而后者可能占比更大。可以类比电镀过程（比如镀铬），想要光洁，就要消耗电能。也可以类比化学平衡，维持某个我们想要的状态，就要持续加料。还可以联想到公路、地铁、水坝等基础设施，如果维护不及时，破损很快扩大，直至崩塌。便利性的每一小步，都需要大量资源的投入以维持。联想“学如逆水行舟，不进则退”，以及“天下大势，合久必分，分久必合”；维持，本身就是代价（能量）。

《周易•系辞下》：“天地之大德曰生”。天，为地球生态提供了能量，地球上能量的传递、消耗过程成为可持续的熵增过程；地，为生物提供了物质基础。天地共同创造了世间万物，直到人类出现，取用于天地，并为万物赋予意义。“天地不仁，以万物为刍狗”，天地不需要人类的感恩。人类能够感受的天地情怀，是“上天有好生之德”。

在科学的视野中，物质和能量路径是两个视角、两种排序或观察方式，但所观是同一个世界。有限的本体，以及坚实的规则，是现代科学体系自立的根据。世间万物的知识都可以在科学体系中得到包容，只看人们愿意把它们放在哪个格子中---人是万物的尺度，知识本身的方便性也要以人为本。

物质路径和能量路径，是人类为自然万物命名的两条线索，万物就是路边的风景。但应当记得，所谓规则，本质上是人类在观察万物（儒家所谓格物）的过程中发现的规律性，人类并不敢声称天道如此。但当下只能如此，强名之曰规则，然后按照规则打造置物架以安放万物。也许将来人类的置物架会扩充，也许它只是未来置物架的一个很小的部分，但阶段性的整理并摆放依然是有意义的。意义就是：由置物而至规则，认识这个世界，放出眼光，去拿取知识，而不是在过剩信息的乱流中迷失。

可观测宇宙

关于宇宙起源，科学界最为认可的观点是大爆炸学说：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的(根据2010年所得到的最佳观测结果，这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前)，并经过不断的膨胀到达今天的状态。（以下摘自网络资料）

下面是大爆炸学说中宇宙的主要时间节点（时间-温度-描述）：

大爆炸—∞K—量子涨落

普朗克时间—1032 K—GUT大统一/第一次对称破缺

10-35秒—1028 K—暴胀、弱电统一、夸克-反夸克主导时期

10-10秒—1015 K—轻子形成

0.01秒—1011K—重子形成

0.1秒—3×1010K—中子衰变

1秒—1010K—质子/中子被强核力束缚形成氘核

13.8秒—3×109K—氢核聚变成其它重原子核

3分钟—109K—物质和辐射耦合在一起

300000年—3000K—电子和核束缚在一起，物质和辐射去耦

10亿年—300K—恒星形成

100亿年—10K—原子链接形成有机分子

120亿年—3K—生命形成

120亿年～150亿年—2.7K—生物进化

1018年—10-7K—黑洞-霍金辐射主导时期

1024年～1032年—10-15K—质子衰变

10100年—0K—黑洞衰变/热寂

当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。由内到外：地球 ⊆ 地月系 ⊆ 内太阳系 ⊆ 太阳圈 ⊆ 太阳系 ⊆ 奥尔特云⊆ 本星际云 ⊆ 本地泡 ⊆ 古尔德带 ⊆ 猎户臂 ⊆ 银河系 ⊆ 银河系次集团 ⊆ 本星系群 ⊆ 室女座超星系团 ⊆ 拉尼亚凯亚超星系团 ⊆ 双鱼-鲸鱼座超星系团复合体 ⊆ 武仙-北冕座长城 ⊆ 可观测宇宙 ⊆ 宇宙。

恒星和星云是最基本的天体。太阳系属于2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统--银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个"铁饼"，正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。本超星团(超星系团)构成的丝状结构是宇宙中已知的最大结构，一个典型的丝状结构的长度是70至150百万光年，丝状结构与空洞构成长城，空洞指的是丝状结构之间的空间，空洞与丝状结构一起是宇宙组成中最大尺度的结构。空洞中只包含很少或完全不包含任何星系。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距，长城是所知宇宙中被观察到的最巨大非结构，其中史隆长城是所知最长的长城，距离地球约10亿光年，长达13.7亿光年，其次是CFA2长城。天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。

暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、牛顿万有引力的现象、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%、占宇宙总质能的26.8%。

在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙约68.3%的质能。

太阳系中共有八大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(冥王星已被从行星里开除，降为矮行星。)除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星:月球，土星的卫星最多，已确认的有17颗。行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86%，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米。有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。可观测宇宙中，有超过千亿个星系，单个星系拥有千亿个和太阳系相近的恒星系统，即使宜居星球出现的条件苛刻，如此规模的宇宙中也不太可能只有地球这一孤例，外星人可能存在，只是人类未曾见到。

10100年之后，宇宙将近乎热寂，即一切活动停止。但这不是我们需要担心的，因为在此之前，质子已经衰变（1033年？），构成生命的元素消失。这也不是需要担心的，在此之前，太阳已经熄灭，地球生态圈已经毁灭。这也不是需要担心的，在此之前，红巨星阶段的太阳，已经把地球吞没了。这也无需担心，在此之前，不知道有多少陨石砸到地球上，生态圈已经重启多次了。这仍无需担心，因为在陨石之前，人类自己可能已经把地球生态圈毁灭许多次了。这仍无需担心，因为面对核大战，任何准备都没用，“末世生存包”只是营销。

人们之所以能在如此“悲观”的预期下，依然要展开智能的精彩，是因为上述“毁灭”与我无关，不是自己造成的，并且在毁灭之前，我作为一个生命体，或许早已归为尘土。上述“毁灭”大小可以不论，因为每一个我们都扛不住。现在可以做的是防止人类的自我毁灭，以及应对不知何时到来的陨石撞地球。前者需要道德，后者需要科学。至于之后的道德和科学无法解决的，那暂时并不重要，一方面时间还早，另一方面，先顾眼前。何况，上述结论，是现有科学知识下的推算，并不是既定的，究竟如何，需要宇宙的演化。也许不久之后，科学发展，后人会认为此刻的我们完全是在杞人忧天。

天道之所以要交给科学家，一个重要原因是，要防止伪装成科学的邪教传播。毕竟，科学真正看清的范围并不大，真正的科学思想也并未普及。一组新名词，加上不变的生意套路，就可以造成邪教。不反对个人对天之道的探寻，但猜想和假说必须建立在实证基础之上，也就是包括个人在内的人类的实践之上。

（末世说几乎是所有邪教的理论基础。但末世说造成的恐惧，是不合逻辑的：末世到来之前，说者与听者或许早已不在人世！某教师对学生讲：人怕鬼，隐含了人变成鬼，那么人的死亡就不是真的死亡，而是转生为‘鬼’！鬼若害人，不怕人变成与它相同的鬼去报仇吗？鬼神之说，劝人向善则可，制造恐怖则谬；末世之说，劝人为学则可，渲染恐慌则谬。末世，隐含了丛林法则，是反社会的。）

所有的理论都是空洞的大脑练习，因此是在浪费时间，除非有人首先确定宇宙的真正组成。

---兹威基

地球上的物类

关于地球的起源与演化、物理化学特性、内部构造、大气、卫星等等，请参阅百度百科天文卷。

地壳中元素含量排名:氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁。其中最高的元素是氧，占约48.6%，其次是硅占约26.4%，铝8%，铁5%，钙3.8%…。地壳中重元素含量较少，地幔中铁镍元素丰度远大于地壳，地核则以铁镍为主。某项研究认为黄金（以及其他贵金属）也在地核中大量存在，只是我们拿不到。

人类站在地球生态的顶端，看待自然界的最优选择是以智能生命为终点的地球演化视角。这一视角下，元素-化合物（含单质）-无机物-有机物-功能性有机物-生物，是一个由低到高的演进链条。于是，可以把自然万物首先分割为非生物和生物。前者又可划分为无机物和有机物，然后以其用途统率，按照矿物、燃料、药物等等来进行细分。后者则按照正统博物学的分类方法分格出界、门、纲、目、科、属、种及亚种。于是自然万物已在这种树型的表格之中。

表格是开放的，新发现的物料（物种）可以扩充单元格；表格又是相对稳定的，新增单元格有确定的插入位置，变动是局部的；而表格的机制则始终保持一致。比如关于生物的表格（置物架），最初只有两界：动物界和植物界，新的发现又扩充了（拆分出）病毒界、原核生物界、真菌界、原生生物界；真核生物中分四个界：原生生物界、真菌界、植物界和动物界。

另一类的“物”则是人工造物。人工造物广义上讲是工具（用品），是人类生产（加工）出来，有某种用途的物品。人工造物只能以“用途”统率。家具、文具、衣食住行…等等，人们按照用途为人工造物分类，或者说人工造物的目的就是其功用（欣赏或者把玩也是功用）。科学体系是人工造物的质料、动力、形式，人的需要是其目的。人工造物也可以组合成一个表格，大类、中类、小类、品种…，语言因而可以有条不紊地容纳新的造物或新的原料，并不一定无所不包，但只要用到，就可以接纳进来。

正方形、圆、球、柱等等几何概念，可以肯定属于数学，因而归为理念；但现实世界中的人工造物，如果有共性（共相）的话，只能是各种不同的“用途”，如何可以成为理念？前文已说明，科学发展，科技之树的未来在其中，但现在是不知道的，如何可以有共相以便模仿？推导下去，理念世界“全知”！或者说“科技之树的实体”才是理念，岂不就是“神”之万能全知？所以说理念论是一神论的前置，是科学的反面。

实有之物在语言中的映射就形成“概念”。概念所指，不仅是某物本身，还包括了此物的演化以及所属类目（摆放此物的架子），以及架子上分格的规划方法，以及规划方法背后的人是万物的尺度。但无论如何，只要人们真的是想精确拿取，科学体系已经做好了架子并按规则摆放，放心取用即可。个人不必亲自去做这些规划，但必须了解，现代科学的规划和原则，以及这些原则带给人类的保证以及保证的程度（是否已经或者可以还原到科学认定的有限本体）。

对于现代人而言，学以成人的方式必然是先接受教育（现代科学体系就在其中），然后走向社会，在实践中发现和检验自己生硬记忆下来的知识体系，检验、确认、相容、拓展…。活到老，学到老，一定意义上指的是格物至正心的过程的重复与日新。面向自然，此心所证，应首先是科学之“正”。此正不移，才是智慧的根基，如同站在坚实的大陆上，永不产生“这是不是梦”的怀疑。