生命：宇宙之子

吳忠超

十一年前的夏天，筆者和胡小明女士曾得便訪問羅馬新教墳場上英國詩人濟(jì)慈和雪萊之墓。站在這座不朽之都的城墻上，近處樹影婆娑，綠草如茵，鮮花似錦，墳塋森森，遠(yuǎn)眺風(fēng)煙下的古城，時(shí)空似乎一下子被濃縮了起來。濟(jì)慈因罹肺病在意大利溫暖的氣候里度過了生命的最后幾個(gè)月，并于一八二一年二月二十三日客死羅馬的西班牙花臺(tái)。詩人身后寂寞。在墓前，我們只見到一位金發(fā)少年跪在他墓碑前默誦詩章，墓碑上刻有姓名生死年月日以及一把豎琴。雪萊于一八二二年七月八日在斯匹齊亞海灣航船上遇暴風(fēng)雨而溺斃。他的友人將其骨灰營葬于此。他的那塊平躺著的白大理石墓碑四周環(huán)以鐵鏈和鮮花，上面鐫刻著的除了姓名和生卒年月日以外，還有莎士比亞《暴風(fēng)雨》中阿雷爾之歌的兩行：

Nothingofhimthatdothfade，

Butdothsufferaseachange.

他未從塵世消隱，／正經(jīng)歷滄海變幻。

這和雪萊生涯非常貼切。它不但道盡了生命的歡樂和無奈，而且也完全符合現(xiàn)代人對(duì)生命底蘊(yùn)的理解。

生命是宇宙中的短暫現(xiàn)象，它正如海洋中的泡沫那樣，去而復(fù)來。在宇宙中，生命的形成是不可避免的。宇宙是最富有美學(xué)價(jià)值的對(duì)象，或許它也具有人類的弱點(diǎn)，總是希冀贊美，所以就處心積慮地產(chǎn)生了能鑒賞它的生命，而生命的最高形式便是人類。

宇宙誕生于大約一百五十億年前的一次大爆炸，之后，它就以在空間上均勻的各向同性的方式，膨脹開來；這種膨脹的明顯證據(jù)是遠(yuǎn)處的星系正在從我們這里退行而去，其標(biāo)志便是這些星系的光譜線都向紅端移動(dòng)，這就是著名的“哈勃定律”。大爆炸是一種具有極高溫度和極大能量密度的奇性狀態(tài)。如果宇宙是閉合的，并且假定只有二維的話(實(shí)際宇宙的空間是三維的)，人們便可以用一個(gè)氣球來代表宇宙的空間，氣球上的斑點(diǎn)可代表星系，隨著氣球被吹脹，斑點(diǎn)也就是星系之間的距離不斷增加，這就是宇宙膨脹的情景，氣球上的任何一點(diǎn)、任何一個(gè)方向都是平等的，并不存在宇宙的中心，至于氣球里面和外面的空間在這個(gè)比喻中不具有任何意義。在大爆炸那一時(shí)刻，空間的尺度為零，這對(duì)應(yīng)于氣球被收縮成一點(diǎn)。在實(shí)際的宇宙中，其各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)如恒星、星系和星系團(tuán)都在演化。一九六四年人們觀測(cè)到了宇宙背景的微波輻射，這正是熱大爆炸的殘余，因?yàn)橛钪嬖?jīng)經(jīng)歷了無與倫比的膨脹，所以它現(xiàn)在的溫度只剩絕對(duì)溫度的2.7度。從時(shí)間的觀點(diǎn)看，大爆炸可以認(rèn)為是宇宙的誕生，時(shí)間在那里有一個(gè)開端。

如果宇宙中的物質(zhì)密度足夠高，物質(zhì)之間的萬有引力就會(huì)迫使宇宙的膨脹速度降低，并在將來的某一時(shí)刻使膨脹停止，然后宇宙開始收縮，最后再坍縮成溫度極高密度極大的大擠壓狀態(tài)，關(guān)于大擠壓是否為大爆炸的時(shí)間反演的問題現(xiàn)在仍然未達(dá)到共識(shí)。如果宇宙的物質(zhì)密度較為稀薄，則它會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去。

宇宙起始于大爆炸的觀點(diǎn)在哲學(xué)上受到許多攻擊。這個(gè)理論之所以發(fā)展成今天的主流，根本原因是得到觀測(cè)上的有力支持。例如，從這個(gè)模型中可以計(jì)算出宇宙的輕元素豐度，其中氦元素的豐度大約為四分之一左右，這和觀測(cè)很一致。人們一直追問在大爆炸之前宇宙是什么樣子的，其實(shí)大爆炸奇性是時(shí)空的邊界，在它之外時(shí)空已經(jīng)沒有意義，但是這種回答似乎仍然不能滿足人類追求永恒的心理，只有在量子宇宙論的研究中，這個(gè)問題才豁然貫通了。

原來除了我們熟悉的實(shí)數(shù)時(shí)間外，還存在虛數(shù)時(shí)間。宇宙在虛時(shí)間里可被描述成一個(gè)四維的球面，它正和二維的地球表面那樣，既無開端也無終結(jié)，它就是存在。說來也許令人難以置信，這個(gè)四維球的尺度只和普郎克長度相當(dāng)，也就是10—33厘米左右。我們把大爆炸事件以及宇宙的膨脹看成這個(gè)四維球在實(shí)時(shí)間方面的延拓展開。而四維球上的量子力學(xué)的起伏就是我們宇宙中的恒星、星系和星系團(tuán)等等結(jié)構(gòu)的起源。這種起伏是量子力學(xué)所允許的最小起伏，但是隨著宇宙在實(shí)時(shí)間中的膨脹，它被放大了，才會(huì)發(fā)展成今天這樣的結(jié)構(gòu)。一九九年宇宙背景探索者發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景溫度在太空不同方向的相對(duì)起伏小于十萬分之一。這個(gè)結(jié)果剛好和量子宇宙論的計(jì)算相一致。這個(gè)起伏如果太大，宇宙就不可能如斯光滑；如果太小，則不足以形成這些結(jié)構(gòu)。

世界上存在一種普適的單方向傾向，這就是所謂的時(shí)間方向箭頭，例如生老病死、通貨膨脹等等，這種傾向可以用一個(gè)量的增長來表征，這就是熵。熵可以粗略地認(rèn)為是系統(tǒng)無序度或我們對(duì)其信息缺失的量度。一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵是永不減少的。由于引力的參與，宇宙不可以簡單地視作一個(gè)孤立系統(tǒng)，盡管因?yàn)橛钪媸亲宰愕模运墙^對(duì)孤立的。但是宇宙在膨脹的過程中，它的熵是增加的，它從一種非常光滑的也就是熵為零的狀態(tài)，演化成今天這樣非?；靵y的高熵的狀態(tài)。它將來還會(huì)達(dá)到熵的極大值，也就是熱死的狀態(tài)，那時(shí)宇宙整體也許還會(huì)演化，但是它的內(nèi)容已喪失演化的意義，這意味著一切已歸于死亡。還有另一種含義的死亡，即宇宙從開端到終結(jié)都處于熵為零的純粹的狀態(tài)，一切都是有序的、一目了然的，溫度也為零，這樣的宇宙肯定是無生命的。宇宙為什么不永遠(yuǎn)處于絕對(duì)有序或者絕對(duì)混亂的狀態(tài)，而是處于以絕對(duì)有序向絕對(duì)混亂的變化過程之中呢？這個(gè)問題對(duì)于宇宙中生命的形成真是關(guān)系重大。

在量子宇宙論中，宇宙的狀態(tài)自始至終是由它的所謂基態(tài)波函數(shù)所描述，這是一種純態(tài)，所以熵為零，似乎宇宙必須極其寒冷，其溫度為絕對(duì)零度。但是宇宙顯然不是處于這種狀態(tài)，這又是為什么呢？這是由于宇宙的熵是觀察者對(duì)于有關(guān)宇宙的知識(shí)或信息缺失的量度。這個(gè)定義似乎依觀察者而變，因而不夠客觀，但是由于宏觀系統(tǒng)的信息是如此之大，不同觀察者測(cè)量到的熵值之差異是微不足道的。例如在黑洞的情形下，外界的觀察者對(duì)黑洞表面即視界內(nèi)的細(xì)節(jié)完全無知，它的熵剛好和黑洞視界面積成比例。宇宙的情形也很類似。由于宇宙早期極其迅速的膨脹，它越來越多的結(jié)構(gòu)模式的尺度很快就隨著超出視界尺度，所以在實(shí)際上我們就不再覺察到這些模式的存在，因此宇宙的熵隨時(shí)間而增長。所以結(jié)論是，整宇宙是處于純態(tài)之中，但是由于宇宙視界的限制，我們可能觀測(cè)到的宇宙部分是處于混合態(tài)之中，由于宇宙的膨脹，這種混合態(tài)的熵值隨之增長。

正面的議論和宇宙從極熱的大爆炸演化而來并不矛盾。正如前面說的，更精確的說法是，宇宙在無中生有后一度非常光滑，初始的熵值為零，量子起伏在宇宙隨后的膨脹中得到放大，形成了熱輻射，之后的演化才由傳統(tǒng)的熱大爆炸理論描述。整個(gè)宇宙的溫度雖然在降低，但由于宇宙體積在增大，所以總熵總是在增大。

我們下面討論在宇宙熵增的背景下生命如何形成。熱力學(xué)是研究熱現(xiàn)象的學(xué)科。它的發(fā)展大致上可以分成三個(gè)階段，平衡態(tài)熱力學(xué)、線性熱力學(xué)的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的熱力學(xué)。

平衡態(tài)熱力學(xué)的主要成果是，熱平衡物體的溫度處處相等，熱量是能量的一種形式，孤立系統(tǒng)的熵不能減少等等。

昂薩格是線性熱力學(xué)的代表人物。他發(fā)現(xiàn)了，在用外界的條件來維持系統(tǒng)處于鄰近熱平衡的狀態(tài)下，存在非常漂亮的所謂的對(duì)易關(guān)系，例如溫度差引起物質(zhì)流，而物質(zhì)濃度流也引起熱流等等。后來普里高津證明，當(dāng)這種系統(tǒng)到達(dá)不變的狀態(tài)時(shí)，雖然總的熵是增加的，但是內(nèi)在熵的產(chǎn)生率處于最低值。這一方面的研究暗示，有序組織可以在鄰近熱平衡態(tài)中形成。

遠(yuǎn)離平衡態(tài)熱力學(xué)的代表人物是普里高津。當(dāng)系統(tǒng)極度偏離熱平衡時(shí)，整體熵會(huì)極其迅速增加。令人吃驚的是，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)在時(shí)間上和空間上極其有序的行為，大量粒子在時(shí)空中以協(xié)調(diào)一致的方式運(yùn)動(dòng)，形成所謂的“耗散結(jié)構(gòu)”，它和外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，吸收低熵值的物質(zhì)或能量，排出高熵值的物質(zhì)或能量，雖然自身在大量地產(chǎn)生熵，卻能維持低熵的狀態(tài)。產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的過程叫做“自組織”。

薛定諤在《什么是生命》一書中指出，生命存在的必要條件是它能抵抗熵的無情增加。由熱力學(xué)第二定律或熵增定律得知，這對(duì)于孤立系統(tǒng)根本不可能，所以生命必須新陳代謝，和環(huán)境進(jìn)行交流。在本質(zhì)上講，人們消耗食物和呼吸不是為了吸收能量，而是為了吸收負(fù)商。他嘲笑那些在食譜上標(biāo)明熱量的作法，當(dāng)然今天人們有了為了身材苗條而節(jié)食的動(dòng)機(jī)，這個(gè)嘲笑已經(jīng)沒有太多道理了。人們吸收低熵值的東西，排泄高熵值的東西，才能維持低熵使生命存活。下面這個(gè)事實(shí)令人印象深刻，人的一生要消耗整整一列車的食品，這么辛苦地吃食品，卻只是為了對(duì)抗熱力學(xué)第二定律?？梢?，人們一生所消耗食物的能量即質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建造他或她身體所需要的物質(zhì)。如果我們不能維持低熵的狀態(tài)，那便意味著死亡的來臨。

從這種觀點(diǎn)看，生命正是一種非常精巧的耗散結(jié)構(gòu)。至于如何由生命產(chǎn)生精神以及智慧已超過本文的范圍。

小結(jié)如下：任何孤立系統(tǒng)的無序度總是不減的，它很快會(huì)到達(dá)熱平衡狀態(tài)。因?yàn)橛钪媸亲宰愕?，所以在?yán)格的意義上講，它是絕對(duì)孤立的系統(tǒng)。但是由于引力作用的參與，它又不是在通常意義上的孤立系統(tǒng)。宇宙既不處于零熵(冷死)也不處于熱死的狀態(tài)，而是處于由零熵到熱死演化的漫長過程中。在這個(gè)熵增過程中會(huì)出現(xiàn)局部的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)，它和外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和熵(信息)的交換，使自己維持于低熵狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)的最精巧形式便是生命現(xiàn)象，所以我們可以講：生命是宇宙之子。