《协同学：大自然构成的奥秘》03

第三章：晶体——有序但无生命的结构

第二章有这么一个结论：较高的温度导致分子较剧烈的热运动，并从而造成较大的无序。第三章的角度与第二章刚好反过来。

第三章的出发点：从一个系统中消除热能也许能建立一种有序状态，正如日常经验所表明的，在冷却过程中确实出现这种状态。

第二章与第三章为下文奠定了基调：自然界/人为 并非只有热封闭系统（世界的单行道），还存在开放系统;这就为熵增/减 都提供了可能性，同时对于不同系统、环境下产生的现象：云图、激光、化学钟、进化论等等，给出了统一的框架描述。

作者用了两个案例，来阐述微观变化与宏观变化之间的联系。这样阐述的理由在于：微观变化对应有序/无序的特性，而宏观变化对应我们容易察觉到的特性改变。

案例一：冰晶体

在物理学中，不同的聚集状态——固态、液态、气态，亦称为相，不同相之间的转变，则被称为相变，相变形成截然不同的有序或无序。相变的特点可以从水的例子进行观察：不同的相——水蒸气、水和冰晶体——所含的分子完全一样。

微观角度,不同的相之间的区别只在于分子间的相对位置不同。在水蒸气中，这些分子四向纷飞，速度很快（620m/s）。这时除了分子的相撞外，分子之间几乎无作用力的作用。在液相中，原子相离很近，并受到吸引力的作用。但分子还能够相互移动，然而在晶体中，各分子排列在一个严格的周期点阵中：

在其他条件不变的情况下，相变发生在一个精确的温度下。

宏观角度，一种气体（如水蒸气）容易被压缩，不像水几乎不能被压缩，冰则是固体;另外透光性也发生变换。这个例子说明，微观变化怎样能产生物质全新的宏观性质。

案例二：超导性和磁性

1911年，荷兰物理学家卡默林.昂纳斯就已发现，某种金属（例如水银）当冷却到低于某个温度时，就完全失去它的电阻，他称这种现象为超导。电阻不是非常小，而是完全消失，现在物理学家发现：超导过程的基础是一种非常特殊的微观有序状态，其中金属中的电子总是成对地穿越晶体。

这里也和其他相变一样，一种新的微观有序（“成对行进”）联系着一种全新的宏观状态（无电阻的电流）。

相变：从无序到有序或者从有序到无序

首先看一下磁铁的例子，铁晶体在室温下具有磁性，但当加热到一定的温度，即774℃，磁性突然消失：

这一点结合图中信息可以这么解释：磁铁被一再分割，发现最小的是铁原子（更确切是铁原子的电子），这些基本磁体相互间有着力的作用。尽管相同的磁极相互排斥，基本磁体却存在着相反的性质，即同极相吸。换言之，基本磁体都愿意排列在相同的方向上。所有微观磁场合并在一起产生了我们从磁铁所知道的那种宏观磁场，这也是微观有序影响宏观状态的例子。

对称状态：当磁铁处于无序状态时，基本磁体可以指向任何方向。这时就是一种对称状态，没有哪一个较优先的方向。

打破对称状态：但若总的状态是磁性的，那么所有基本磁体都指向某个方向，虽然在相变前所有方向都是等价的，但相变后却选出一个严密规定的方向，原来的方向对称性被打破了。

产生这两种状态的一种解释是内部有两种不同的作用。像之前例子中清洁女工的搬运、分子热运动、以及此处热运动，都是无序运动的体现，热就是无序的、随机的运动。这两种力分别定义为：1）一种是促使磁铁基本平衡的力;2）一种是热运动。

热运动为主，微观表现为磁体呈无序状态，宏观表现就是没有磁性。

力为主，微观表现为磁体有序排列，宏观表现就是具有磁性。

前面几个例子：冰晶体、磁体、超导都说明一个现象：物质仅随着温度的下降呈有序状态。然而生命的过程却随着温度的降低可能走向死亡。事实上，很多时候我们并不随着大环境温度的变化而发生明显改变：生物通过不断地社区和加工能量与物质维持其生命。较高级的生物——恒温动物，根本不与其周围环境处于热平衡状态，而是恰恰相反。我们的体温是37℃，而正常室温为20℃.显然仅仅以升温/降温为原理进行研究，是不够的，生命过程还需要从不同的角度进行分析：这种体温/室温形成的温差，就是下面几章的一个着眼点。