文章作者：張啟明，中國中醫科學院 醫學實驗中心。張啟明教授為第一屆《中華醫道》學術會議專家。以下文字內容為張啟明教授授權提供的、關於第一屆中華醫道中醫核心基本理論探源學術會議的學術文章。
傳統中醫認為，升者為陽，降者為陰。但人體在生理狀態下，卻表現為與此相反的情形，如脾升清而屬陰，胃降濁而屬陽；腎在下屬陰而腎水上行濟心火，心居上屬陽而心火下行溫腎水。這一節將藉助非平衡熱力學理論闡述這些現象發生的原因。
（一）定義
1.陰陽交感
對一切可分陰陽的事物而言，若靜態屬性屬陰的一方具有屬陽的動態屬性，或(和)靜態屬性屬陽的一方具有屬陰的動態屬性，則稱這類現象為陰陽交感。
例1 在生理狀態下，脾性溼而升清，即具有陰性靜態屬性和陽性動態屬性(相對於胃)；或(和)胃性燥而降濁，即具有陽性靜態屬性和陰性動態屬性(相對於脾)，這類現象為陰陽交感。
例2 在生理狀態下，心居上而心火下行溫腎水，即具有陽性靜態屬性和陰性動態屬性(相對於腎)；或(和)腎在下而腎水上行濟心火，即具有陰性靜態屬性和陽性動態屬性(相對於心)，這類現象為陰陽交感。
例3 全息生物學揭示：舉手而立，則人體任一相對完整器官的上端代表頭，下端代表足。而在同一姿勢下，分佈於四肢內側的陰經氣血上行，分佈於四肢外側的陽經氣血下行，這亦屬陰陽交感。
2.陰陽反作
對一切可分陰陽的事物而言，若靜態屬性屬陰的一方具有屬陰的動態屬性，或(和)靜態屬性屬陽的一方具有屬陽的動態屬性，則稱這類現象為陰陽反作。
例4 在自然條件下，火具有溫熱、乾燥等陽性靜態屬性，又具升發、蒸騰等陽性動態屬性(相對於水)；水具有寒涼、溼潤等陰性靜態屬性，又具沉降、凝聚等陰性動態屬性(相對於火)，這類現象為陰陽反作。
例5 在病理狀態下，脾性溼而脾氣下陷，胃性燥而胃氣上逆均屬陰陽反作。即“清氣在下，則生飧洩；濁氣在上，則生䐜脹，此陰陽反作，病之逆從也”(《素問·陰陽應象大論篇》)。
（圖5-7 陰陽交感與陰陽反作）
3.陰平陽秘
陰陽交感過程發展至與外界環境相適應的有序的穩定狀態稱為陰平陽秘。健康人體的生理狀態是一種高度有序的穩定狀態，故為陰平陽秘。
（二）陰陽交感現象的熵變分析
1.熵平衡方程
人體的所有生理功能和生化反應都是在細胞及其產物的基礎上進行，而主要發生於細胞內液之中，所以我們就以細胞內液作為研究的主要系統，不同組織的細胞及細胞中不同細胞器內的液體因組成成分不盡相同而分別稱為子系統。在生理狀態下，一方面由於體內多種自我調節機制的存在，使得各子系統(即由膜保衛的液體)在組成成分上維持著相對平衡狀態；另一方面，由於自由擴散的存在，又使得其中粒子的分佈趨於均勻化，而這正是建立局域平衡假設的重要依據。
局域平衡假設：設想把各子系統劃分成許多很小的體積元，每個體積元在宏觀上足夠小，以至從場的分析的觀點看，在這足夠小的尺度範圍內，粒子分佈均勻性的假設對場論中數學分析所引起的誤差可以忽略不計。但所有體積元從微觀上講又足夠大，每個體積元內部包含足夠多的粒子，因而仍能滿足統計處理的要求，使得熱力學變量如壓力、密度、內能等有確定的物理內涵，並能滿足在平衡體系中所滿足的一切熱力學關係。在人體內環境下這種假設的合理性證明見附1。
設子系統含有 n 種不同組份，並同時進行著 m 種化學反應。子系統的邊界允許它與外界環境進行物質和能量交換。為以後討論方便，我們在局域平衡假設的基礎上引用熵平衡方程：
其中 S 是單位體積介質的總熵，是熱流，T 是絕對溫度，
是化學勢(分別表示單位質量和單位摩爾的第 i 種純組份所含的Gibbs自由能)，
是物質的擴散流，
表示單位質量的第 i 種組份所受的外力，
是應力張量，U是介質質心的運動速度，
是第 i 種組份在的第 j 個化學反應中的化學計量係數，
是第 i 個化學反應的反應速度。
2.“水火升降”的熵變表述
引理1 水下行或(和)火上炎都是熵增加過程。
注：這裡“火”可看作熱團聚系統。所謂水下行是指水從高位能區向低位能區的流動，火上炎是指熱自高溫區向低溫區的傳導。
證明：①設水自高處向低處流動的物質流為,單位質量的水所受的重力為，由熵平衡方程，單位時間單位體積的熵產生為
因水的向下流動是重力作用的結果，即J與F同向，又，所以
。即“水下行”的過程是熵增加過程。
②設由火及其周圍環境形成的系統的熱流為。由熵平衡方程，單位時間單位體積的熵產生
為
因熱總是沿著溫度梯度下降最快的方向傳導，即與
方向相反，所以
。即“火上炎”的過程也是熵增加過程。
③若把水、火作為一個系統來研究，則由熵的廣延性質，單位時間單位體積上的總熵產生。即水下行和火上炎的過程仍是熵增加過程。
引理2 水上行或(和)火下降均是熵減少過程。
注：所謂水上行是指水從低位能區向高位能區的流動(如水泵的作用)。火下降是指熱自低溫區向高溫區的傳導(如製冷機的作用)。
證明仿引理1。
3.陰陽熵變定理
“且夫陰陽者，有名而無形”(《靈樞·陰陽系日月》)。我們只能通過具體事物的運動變化來認識陰陽。對此，前人的研究方法值得借鑑。《素問·陰陽應象大論篇》指出：“水為陰，火為陽”，“水火者，陰陽之徵兆也”。可見，水火在事物的陰陽變化研究中佔有特殊地位，我們可通過水火性能的分析推論一般事物的陰陽變化規律。
水有寒涼、溼潤的陰性靜態屬性，火有溫熱、乾燥的陽性靜態屬性。如果水下行、火上炎，則由引理1知，這一過程為熵增加過程；反之如果水上行、火下降，則由引理2知，這一過程為熵減少過程。由此可見，靜態屬性屬陰的一方具有屬陰的動態屬性(水下行)，或(和)靜態屬性屬陽的一方具有屬陽的動態屬性(火上炎)均為熵增加過程；靜態屬性屬陰的一方具有屬陽的動態屬性(水上行)，或(和)靜態屬性屬陽的一方具有屬陰的動態屬性(火下降)均為熵減少過程。聯繫定義1、2，可得下述陰陽熵變定理：
陰陽交感過程是熵減少過程，陰陽反作過程是熵增加過程。
4.人體中的陰陽熵變
陰陽熵變定理是從自然界中的水火運動總結出來的，那麼人體中的陰陽變化是否遵循同一規律？
中醫學認為，人體的正常生命活動是陰陽雙方協調作用的結果，任何疾病的產生和發展都是因某種原因使陰陽雙方失卻協調所致。即所謂“陰平陽秘，精神乃治；陰陽離絕，精氣乃絕”。現代醫學研究也表明，人體的生理狀態是一種度高有序的穩定狀態。故從某種意義上講，任何疾病的產生和發展都是由於致病因素破壞了人體內部的協調關係，致有序度降低的結果。因此我們有如下結論：
公理：生理狀態是一種高度有序的穩定狀態——陰平陽秘，任何疾病的產生和發展，都是這種有序穩態的打破，有序度降低(即總熵增加)的結果。
臨床實踐告訴我們，脾具有陰性靜態屬性而脾氣下陷，或(和)胃具有陽性靜態屬性而胃氣上逆；心具有陽性靜態屬性而心火上炎，或(和)腎具有陰性靜態屬性而腎水下行(如腎虛水腫及腎氣不固所致的遺精、遺尿等)，……，這些病理過程均為陰陽反作過程。由公理知，它們均為熵增加過程。反之，脾具有陰性靜態屬性而能升清，或(和)胃具有陽性靜態屬性而能降濁；心具有陽性靜態屬性而心火下行溫腎水，或(和)腎具有陰性靜態屬性而腎水上行濟心火，……，這些生理過程均為陰陽交感過程。由定義3及公理知，這些過程顯然不是熵增加過程。事實上，熵是系統有序程度的量度，系統越混亂，熵就越大；系統越有序，熵就越小，所以，如果這些過程是熵增加過程，即人體各組成部分間的聯繫越混亂，就與生理狀態是一種高度有序穩態——陰平陽秘相矛盾。由此可見，人體的這些陰陽變化都遵循陰陽熵變定理。
5.人體對負熵流的輸入
按熱力學第二定律，自然發生的過程如水下行、火上炎、鐵生鏽等都是熵增加過程。那麼人體中為什麼會出現熵不增加的陰陽交感現象呢？這是否意味著生命運動違背了熱力學第二定律？不是的，原因在於人體是一個典型的開放系統，其總熵的變化包括兩部分的貢獻：一部分是由生命運動過程中物質的自由擴散、化學變化、粘滯性流動等引起，可以證明這一部分的貢獻使總熵增加，不會引起陰陽交感有序現象的發生；另一部分則是由人體與外界環境進行的物質和能量交換引起，如果能證明人體通過這一過程從外界輸入負熵使總熵減少，那麼我們就找到了陰陽交感有序現象發生的原因。
(1)物質交換是人體輸入負熵的重要途徑
新陳代謝是生命的基本特徵。設人體在新陳代謝過程中有種物質參加反應，生成種物質，則定義種反應物的平均化學勢為(合理性證明見附2)
q 種生成物的平均化學勢為
其中為化學計量係數，
為第i,j種組份的分子量，
為化學勢，分別表示單位質量的第i,j種純組份所含的Gibbs自由能。一般說來，人體內的所有生化反應都是在恆溫恆壓下進行的，而恆溫恆壓下能夠做功的能量稱為Gibbs自由能，故人體從新陳代謝中獲取的能夠做功的能量(主要由ATP攜帶)可以看作是一種Gibbs自由能。因此，就整個生化反應序列看，反應物的總Gibbs自由能大於生成物的總Gibbs自由能。即
又由質量守恆定律
所以有
因為生理狀態是一種高度有序的穩定狀態，故從一段適當長的時間看，人體從外界攝取的物質和向外界排出的物質是近乎等量的。為研究方便，我們假定子系統的每個小體積元以恆定的速度輸入營養物質和排出代謝廢物，即
其中為營養物質的輸入流，
為代謝廢物的輸出流。由熵平衡方程，單位時間單位面積的熵流為
其中為由物質交換引起的小體積元的熵變，
為小體積元的表面積，
表示小體積元的外法線方向。
由於又與方向相同，於是
。即小體積元乃至人體與環境的物質交換過程是負熵流的輸入過程。
(2)熱量的擴散是人體向環境輸出正熵(亦即從環境輸入負熵)的過程
外界的能量除通過飲食的代謝可被人體利用外，由於人體的恆溫性質，使之不能直接利用熱能。相反，人體總是向環境發散熱量，因為人體幾乎在整個生命過程中體溫總高於環境溫度，否則生命將難以維持。設人體向環境的熱擴散流為，則單位時間通過單位面積的熵流
為
其中為由熱傳導引起的人體的熵變，
為體表面積，
表示體表的外法線方向。由於
與
的方向相同，於是
。即人體向環境散發熱量的過程是使人體總熵減少的過程。
概言之，新陳代謝過程是人體從外界輸入負熵的過程。正因為負熵的輸入使人體的總熵減少，才使得陰陽交感現象得以發生，才使陰平陽秘狀態得以維繫，正如奧地利著名量子物理學家Schrodinger所言：“生物體是負熵流喂大的，如果它不能從外界吃進負熵流，那麼內部不斷產生的正熵將使它趨向極大熵的危險狀態，那就是死亡。”
附1 局域平衡假設的合理性
①我們所研究的系統是一種膠體溶液，故不必考慮粒子的自由程問題；②我們所考慮的系統中所進行的生化反應都是酶促反應，其反應速度是一般催化劑的106～1010倍，而且在幾個立方微米的小空間中可同時發生包括複雜反饋機制在內的幾千個化學反應，但是這些反應在發生規模和持續時間上都足夠小，不影響介質的時空連續性，否則與我們所研究的子系統在宏觀組成上相對恆定的實驗結果相矛盾；③一方面，我們假設每個體積元含有足夠多的粒子，從統計物理可以證明，系統的能量僅集中於少數粒子身上這種事件發生的概率是非常之小的。另一方面，我們所研究的系統在宏觀組成上是相對恆定的。由於自由擴散的存在，使得系統粒子的分佈總是趨於均勻化。因此，如果忽略粒子的大小和相互作用，我們有理由認為在每一瞬間每個小體積元內的粒子的能量分佈接近於Maxwell-Boltzmann分佈。
附2 平均化學勢的定義
容易證明，對任一等當量反應，下式成立
其中是第 i 種組份的物質流。此式表明，反應物與生成物的總Gibbs自由能經兩種運算結果相同，故該定義是合理的。■
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