事物的空间结构

力的实质神妙的万有引力触觉与形状看到的只是物体反射的光多次因果转换结果相同而原因不相同满天星斗不是同时发出的光高速运动的物体能否维持原来的结构伏羲和女娲物质的基本元素五行与八卦隐态和显态等离子态和中子星态非生命态和生命态思维态郑和未能到达欧洲扬州人不要铁路

“结构”一词的初始涵义就是指事物的空间结构；我们最熟悉的也是这种结构，它涉及到事物的形状、形态、分布、分层、自组织等方面。而这些方面实际上是相互渗透的，只是为了描述的方便才做了上述的分类。

一般来说，空间结构的存在或维持，取决于其内部的各种“力”的平衡（与外部的关系暂不考虑），力的实质是什么？至今没有一个人能够说清楚。牛顿发现了万有引力，但他却很老实地承认他并不知道万有引力是什么。我们注意到，力的作用有的需要消耗能量，有的却似乎不需要消耗能量。

例如，电磁铁要想维持对铁器的吸引力，则要消耗电能；而永久磁铁对铁器的吸引力，则没有消耗任何能量（或许我们不清楚其间的机制）。更令人不可思议的是万有引力，它无所不在却不消耗任何能量（或许它消耗的能量永远与它得到的能量相等，这比不消耗能量似乎更令人费解）；而且，非常有趣的是，万有引力的作用方向永远是直线，但是天体的运动总是旋转的，它们并没有被吸引在一起。

我们的太阳系就是一种依靠引力维持的空间结构；九大行星在太阳引力的维系下，在不同的距离上，在差不多一个平面上，作着近似圆周的运动。这种结构使科学家大惑不解。他们或归之于“上帝”的第一推动力，或归之于原始太阳系星云的旋转。如果我们高兴的话，也可以提出另外的假说，例如，太阳的引力场并不是均衡地弥漫于空中，而是相对集中于一个不太厚的平面上，因此九大行星只能在这个平面上运动；而且，太阳在这个平面上的引力场本身就是旋转的，因此九大行星也就

自然要处于旋转运动中。事实上，太阳系已经存在了一百亿年。在这样漫长的岁月中，应当说有许多外来星体曾经从不同角度进入太阳系，并被太阳的引力所捕获；如果引力是均匀分布于各个方向，那么太阳所捕获的行星就不会处于同一个平面上。然而，事实是，所有的行星，以及来往不定的彗星几乎都处在同一个平面上。因此我们有理由认为太阳的引力在这个平面上处于优势，因为它在捕获行星上存在着选择。

通常，物体形态的维持，取决于不消耗能量的力，主要有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力；有四种基本力，而不是一种基本力，这多少有点令人讨厌。因此许多优秀的大脑都想把它们重构为一种力，可惜还没有成功。

有时，物体形态的维持，需要消耗能量。例如燃烧的火焰这种形态，便在消耗化学能；在常温下维持液态的铁水，便需要不断地向铁水供给热能。不过，我们这里主要讨论不消耗能量的事物的结构，或者忽略掉这些结构所消耗的能量。

事物的形状，取决于我们的触觉和视觉。仅凭触觉，我们只能识别出部分事物的形状，它们的尺寸不能太小，否则我们无法分辨出它们的边界状况；它们的尺寸也不能太大，否则我们难以将触觉信息重新在大脑中组装起来，就好像瞎子摸大象的故事一样。

幸运的是，我们还有一双非常灵敏的眼睛，它们对光有着极强的分辨能力；同时，绝大多数物体对光也有着相当丰富的选择能力，它们可以吸收某些光并反射另一些光，而且它们的不同部位对光有着不同的反应能力。因此，我们的眼睛可以有效地分辨或识别出物体的不同形状，这包括边界轮廓、阴暗和光亮面，以及颜色。由于我们有两只眼睛，可以同时在两个略有差距的位置上观看同一个物体，从而使大脑能够重构出事物的立体结构，并将该事物从它的背景中分离出来。

不过，严格地说，我们并不能看“到”某个物体，而只能看到它投射到我们眼睛里的光。从这个意义上讲，我们的眼睛已经是一种信息处理器，应当属于大脑细胞的一个特殊的组成部分；因此，当我们的眼睛兴奋的时候，有可能看到并不存在的物体（简单的如眼冒金星，复杂的如幻视），正如我们的大脑可以幻想出并不存在的物体或结构一样。所谓眼见为实，只是相对而言，并不完全靠得住。

更严格地讲，我们看到的也不是物体发射的光，而是物体发射的光对我们视网膜的作用。事实上，我们的视网膜只对极少的光即可见光产生作用，而看不到物体发射的紫外光和红外光。我们之所以知道紫外光和红外光的出现，那是因为我们可以利用它们的其他效应，并通过一系列因果转换，最终将它们的某种效应转化成了可见光。例如，紫外光可以使感光胶片曝光，曝光后的胶片可以显影出图像，而这种图像可以发射（包括反射）出可见光。

其实，我们对物质结构的精细认识，以致于可以讨论原子的结构、电子的性质、基本粒子的状态，归根结底在于，它们的性质、状态、结构，经过许多次的因果转换，终于变成了我们可以分辨的可见光，剩下的只是如何对这些可见光进行解释。

不过，这种最终依赖于眼睛的研究方法，可能存在着先天不足，甚至可能存在着无法逾越的障碍。其一，可能存在着某种效应，无论通过

什么方法它都不能被转换成可见光；其二，不同的原因有可能导致相同的结果，因此我们常常不能根据某种结果逆推出一个准确的原因来；其三，涉及到测不准原理，那意思是说，测量的本意是观测仪器与被测物体的相互作用，一次测量只能得到被测物体的某一种性质，当被测物体足够小的时候，每次测量都将改变它的状态，而无法使它恢复到原来的状态以便再测量它的其他性质。

除此之外，还有一点麻烦。根据爱因斯坦的相对论，光速是有限的又是绝对的极限的。所谓有限，是说光在真空中的速度为每秒 30× 104km；所谓绝对，是指光速永远不变，它或者为零（即光被吸收），或者为每秒 30×104km；所谓极限，是说任何物体的最大运动速度只能等于光速，这恐怕只是质能转换定律的另一种表示方法，即以光速运动的物体，它就是光或它已经变成了光。

麻烦之一，当发光体距离我们极远的时候，我们只能了解它过去的状况，而无法了解它现在的状况。假如它距离我们 100 万光年，那么我

们看到的其实是它 100 万年前发出的光，至于它现在处于什么状态或到

了什么地方，我们要到 100 万年后才能知道。换句话说，我们同时看到的满天星斗，是不同星体在不同时代发出的光（甚至可以理解为，一个间歇发光的而又十分调皮的星体，它在不同位置上都发出一段时间的光，并使这些光同时到达了地球）；这有点类似夜景相片，我们看不到那些在不同时间驶过的汽车，但是它们的灯光轨迹却同时呈现在相片上。

麻烦之二，在某些力的作用下，光线的直线运动常常发生变化。例如，庞大的引力，可以使光线弯曲，也就是说，我们看到的某个星体，它可能并不在那个位置上（这里不考虑星体本身的运动），而是因为引力的作用使它看起来好像在那个位置上。比较常见的情况是，某些透明物体对光线的折射作用，有时候这种折射作用会产生奇妙的效果，如假日、幻日，以及美丽的佛光。不过，折射的机制和实际的过程，似乎并不简单，透镜的分子或原子不知施用了什么魔法，使光子乖乖地改变了运动的方向（反射作用似乎也不简单，光子的方向改变似乎不需要能量也不需要时间）。

麻烦之三，当物体高速运动时，它在运动方向上的尺度会变短，而且它的时钟也将变慢；如果它的速度接近于光速，上述变化将变得十分明显；当它的速度等于光速时，它的空间尺度将变成零（即不再占据空间），它的时钟也将停止（即不再占据时间）；至于它的结构是否还存在，我们就不得而知了。盼望着宇宙间星际航行的人，总希望不断提高宇宙飞船的速度，最好能制造出以光速运动的飞船来。因为在这种速度下宇航员的寿命是无限长的。但是，这种设想存在着一种危险，即高速运动的物体，能否还维持原来的结构？或者说，我们能否在保持物体原有结构的情况下，无限地增加它的运动速度（如果有限制，这个速度是光速，还是比光速低的某一个值）？我们很难想像，一道光飞过去，那是来自某个星体的光子飞船。

让我们暂且把这些麻烦丢在一旁，因为我们的眼睛确实能够看清楚许多物体的形状，而不同的形状可以使物体产生不同的效应，为了掌握物体的形状便需要进行测量。

在我国，最早发明测量的是伏羲和女蜗。伏羲曾经发明过网这种有效的渔猎工具，他还创造过一套逻辑严密的八卦符号；女蜗则最先发明了冶炼或烧陶技术，相传她曾炼五色石以补苍天。山东省嘉祥县的汉武梁祠石室造像中，至今还有伏羲手执矩（直角尺）、女娲手执规（圆规）的图像，说明他们已经使用了相当科学的测量工具。这种测量技术后来被大禹继承下来，并使用到治理洪水的工程上；据说大禹还派人对大地进行了系统的测量，并将山川地形绘制在地图上。到了春秋战国时期，墨子继承并发扬了这种优秀的工程技术；可惜，董仲舒罢黜百家、独尊儒术后，工程技术人员的地位日趋下降，他们只能服务于社会而无权去指导社会（即参政议政），他们的创造积极性从而受到了压抑，而更多的优秀的大脑也就不愿意从事深入的工程技术研究，大禹的技术立国被武力立国、天意立国、道德立国所取代。

随着对物体形状的认识不断深入，人们开始思考物质的形态问题，

并将宇宙万物归纳为几种基本的形态，这些基本形态又被称为元素（与近代科学所说的化学元素不是一种概念）。

古希腊学者亚里士多德认为，物质有五种基本形态，“以太”这种形态构成了天体，水、气、火、土这四种形态构成了地球。在我国古代，对物质形态的认识，主要有阴阳说、五行说、八卦说，以及这几种理论的综合说或调合说。

阴阳说认为，物质的基本形态只有阴阳二气，这里的“气”不是空气，而是“元气”；或许，我们可以将“阴气”理解为无结构物质的要素，将“阳气”理解为有结构物质的要素。阴阳学说的创始人，似乎可以追溯到伏羲，他发明的八卦或六十四卦符号体系，只使用了两种基本符号即阴爻和阳爻（相当于电子计算机中的 0 和 1）。到了春秋战国时期，《管子》一书中对阴阳二气有了明确的论述；再以后，则认为阴阳二气，充满太虚，此外便无他物，亦无间隙。这已经类似我们现在所说的“场”了。

五行说的创始人，我们则不大清楚，大约 3000 年前的《尚书·洪

范》中记有：“五行，一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。” 意思是，物质有五种基本形态，即液态、燃烧态（包括气态、光态、热态）、生物态（以“木”为生命形态的代表）、固态（“金”即石头，表示自组织的固态）、聚集态（土代表聚积物）。显然，那时学者对物质形态的认识，已经超越了常识的固态、液态、气态的分类。

八卦说的创始人是伏羲，他将物质分力八种基本形态，即天、地、水、火、风、雷、山、泽。我们可以把“天”理解为时间，即所谓的“天时”；这样，“地”则指空间，万物只能在时间形态和空间形态中存在

（时间可以归入无结构物质，空间则归入有结构物质）。剩下的六种形态分别是液态（水）、燃烧态（火）、气态（风）、电光态（雷，包括声态）、固态（山）、聚集态（泽）。可见，八卦说与五行说各有千秋，似乎有着不同的起源；对比之下，五行说强调了植物形态的地位，似乎与农业的起源和兴盛有关（农业的发明人是炎帝神农氏，以及周朝的先祖后稷）。

俱往矣，现代通常将物质分为七种形态，即气态、液态、固态、等离子态、致密态、反物质、场。其中，气、液、固三态均属于分子运动

状态；等离子态即原子的电离；致密态又称超固态，如白矮星，它实际是在引力容器中等离子态；因此这种分类并不科学。

李梅在《物质形态的分类原则》一文中（载《科学技术与辩证法》杂志 1991 年 1 期），按照物质结构的层次级别进行了新的分类。

在粒子级别上，可将物质分为隐态和显态两大类，隐态和显态是一种非此即彼的关系，它们可以相互转化，与我们所说的无结构物与有结构物非常相似。可惜，我们不清楚这种转变的操作密码，否则我们便可解开玄之又玄的结构之谜。隐态物质不直接表现为有形有象，因此我们无法对它进行更多的描述，下面介绍的有关形态都指显态物质。

在原子核级别上，物质分为普通物质态、等离子态、中子星态。在中子星态，原子中的电子被原子核“囚禁”起来；也就是说，原子与原子之间的电子屏障被压碎，原子核与原子核被压聚在一起（原子核由中子和质子组成，质子与电子结合后可变成中子，故称为中子星）。普通物质态在原子级别上可分为非生命态和生命态。非生命态在分子级别上表现为固态、液态、气态。生命态在蛋白质级别上又表现为细胞态与非细胞态。细胞态在细胞核级别上又分为原核态与真核态。真核态在细胞级别上又分为植物态和动物态。

我们非常欣赏将生命视为物质基本形态的观点，并认为这是一种进

步（当然也是对五行分类法的一种回归、一种肯定、一种升华）。不过，上述分类存在一些缺陷，例如在细胞级别上缺少极为重要的“思维态”；此外，还应当加上一个“时空场级别”，在这里，物质的不同分布构成了“分布态”，事实上所有的物质形态都可视之为物质在时空场中的分布态。

所谓分布态，通常可分为自组织态和疏散聚集态，前者如石头、树木、太阳系之类，后者如空气、沙土、森林、小行星群之类。我们这里只对后者略加介绍（其实前者与后者并没有绝对的界限）。

在地球的表面积中，陆地占 30％，海洋占 70％；其中所有的陆地按其分布形态，又分为亚洲、欧洲、非洲、大洋洲、南极洲、北美洲和南美洲，以及大大小小的岛屿。显然，我们可以把陆地的分布视为一种结构，它对地球表面的大气环流、海洋洋流，以及人类的文化进程，都有着举足轻重的极为深远的影响。

例如，非洲北端与亚洲东端的一点点相连（此处已被开凿出苏伊士运河），在数千年的时间里隔断了东方文明与西方文明的海上直接沟通。15 世纪初，郑和率着庞大的船队，七下西洋，试图找到与欧洲贸易的海上直通航线，却被非洲这堵墙挡住了去路，他已经航行到了红海的尽头，却无缘踏上欧洲的大地。

对于一个国家来说，降雨的分布、河流的分布、矿产的分布、耕地的分布、人口的分布、民族的分布、生产力的分布、投资的分布，都是值得研究的问题。其中，有些事物的分布是自然形成的，有些事物的分布则与国民的观念、管理者的行为、民族历史文化背景有着密切的关系。

例如，本世纪初，在中国兴起了修建铁路的高潮。在修建津浦线时，原设计要经过扬州，因为那时扬州是一个非常重要的城市；但是，当时扬州的父老乡亲认为铁路的经过会破坏当地的风水，坚决不让铁路线经过扬州；一个世纪快过去了，扬州至今仍不通火车，它的经济发展受到

了严重的影响。又如，在天津与保定之间，当年有着非常通达的水上航路，因此无人肯在它们之间修建铁路；然而，时过境迁，不知什么原因

（应当说与人对自然环境的干预有关），短短几十年，河道干涸，保定与天津之间的船运交通已完全终止，而相应的铁路却迟迟未能建起来，从东北到华北中原的旅客和物资被迫要绕道经过北京，每年不知要白白消耗掉多少人的时间和多少吨的燃料。

许多事物的分布，看起来是风马牛不相及，不过只要细心把玩总能找到一些有意味的道理来。一部汽车，有几千种以上的零部件，不了解情况的人会以为这么一大堆各不相同的零件是偶然地聚集在一起；而在装配工人的眼里却完全不同，他知道它们彼此可以装配成一种全新的结构。小孩子玩积木，总是要反复地把不同形状、不同颜色的积木块，搭配出一种新的组合结构来。事实上，大自然在创造各种空间结构物的过程中，正如小孩子搭积木或工人装配汽车一样，它将各种素材反反复复地搭配着、装配着，凡是它认为好的搭配结构或装配结构，它便多保留一段时间；我们所看到的某些杂乱无章地分布着的事物，恐怕只是表明它们正处于搭配或装配的过程中，或者是被遗弃掉的搭配元件。