1707609335
世界因何美妙而优雅地运行 90COSMIC COMPLEXITY纷繁复杂的宇宙
1707609336
1707609337
约翰·马瑟（John C.Mather）
1707609338
1707609339
NASA戈达德航天中心高级天体物理学家，合著有《第一缕光》（The Very First Light）。
1707609340
1707609341
基 于从夸克到加速膨胀宇宙的全部尺度，对已被观测到的宇宙所具有的无以伦比的复杂性，我们能给出怎样的理论呢？我所心仪的理论（当然肯定不是我发明的）是，生成自然不稳定性的物理学基本定律，即能量流和混沌。一些人把这样的结果称为生命力，另一些人认为，地球本身就是一个生命系统，还有些人则认为，可观察到的复杂性需要一种超自然的解释（我们已经有诸多事例）。我的爸爸是一位在乳制品领域工作的统计学家，在我很小的时候，他就教我关于细胞、基因、进化和概率的知识。从那时起我就明白，一个科学家必须要去寻找，大自然的定律和统计规则是如何将我们带进有意识存在的世界的。而且，看似不可能发生的事件一直都在发生，原因是什么呢？
1707609342
1707609343
关于自然的不稳定性，物理学家握有数不胜数的案例，如果我们能解开其中的奥秘，那么世间那些复杂的事物就都能得到简化了。最常见的就是，在冰点以下的温度下冷却水蒸气，其可以生成雪花，这些雪花各不相同，纷繁而美丽。这些现象都是我们日常所见，所以我们不以为奇。但物理学家却观察到这其中的变化，从一种结果变为另一种结果的诸多变化类型，我们称之为相变，该发现对理解共同特性的数学运算大有裨益，因而此项发现赢得了1992年的诺贝尔奖。
1707609344
1707609345
下面我们列举一些事例，来阐释自然定律生成的不稳定性是如何导致我们自身的存在的。首先，宇宙大爆炸（一个多么缺乏想象力的名字啊！）显然是来自于不稳定性的，宇宙从“假真空”最终衰减为我们今天所具有的普通真空，还有我们已经获知的最基本粒子：夸克和轻子。所以，宇宙作为一个整体，起源于不稳定性。接踵而至的是大爆炸和冷却的发生，自由夸克发现自己过于不稳定，于是自行集聚捆绑在一起，形成了今天的次基本粒子：质子和中子，这些次基本粒子释放了一些能量并具有了复杂性。
1707609346
1707609347
接下来，不断膨胀的宇宙略微冷却了一些，从而中子和质子，不再因为极高的温度而分离，但由于它们自身的不稳定性，最终形成了氦核。然后再继续冷却，原子核和电子也不再分离，宇宙变得透明。等到又冷却了一些时，下一个不稳定性又显现了：重力将横跨整个宇宙的物质牵拉在一起，形成了恒星和星系。这种不稳定性被称为一种“负热容”（negative heat capacity），从重力系统提取出的能量使得它更热，显而易见，热力学第二定律在这里并不适用。这就是美国诗人卡明斯（Cummings）“让星辰分离的奇迹”这句话的物理学版本。
1707609348
1707609349
再接下来出现的不稳定性是，氢和氦原子核熔合后释放出能量，这导致恒星燃烧数十亿年。当燃尽燃料之后，恒星变得不稳定，从而发生爆炸并释放化学元素进入太空。鉴于此，诸如地球这般的行星，持续的能量流恰好支持了不稳定性的增加，并发展出各种复杂的模式。重力的不稳定性牵引着密度最高的物质进入到地核，并在内部不断翻腾搅动，向外部释放热流，只留下一层薄薄的水和空气。来自太阳的热量，绝大部分在靠近赤道的地方被吸收，再流向南北两极，于是造成了复杂的大气和海洋环流。
1707609350
1707609351
由于上述原因，地球上遍布天然的化学实验室，元素在此集中混合，升高或降低温度，通过产生无数不稳定的事件，永不停息地进行着各项实验。其中就有一种被称为“生命”的新实验。现在我们了解了，宇宙中存在像恒星一样多的行星，很难想象，在大自然不停歇的实验之下，会无法在某处制造出生命，但这点我们时至今日还没有找到原因。
1707609352
1707609353
伴随着在环境中广泛生存的生物、地球环境的变化、繁荣与萧条的循环往复、食物链上的环环相扣、每种罪行的罪犯、防止犯罪的政府以及政府自身的不稳定性，生命在不断地制造新的不稳定性和进行着永无止息的进化。
1707609354
1707609355
其中一个不稳定性就是，人类需要新型武器和各种新产品，从而吸引对科学技术的投资，因而构建了自然与人类竞争和斗争的世界，从而制造了先进的武器和手机。到了2012年，人们竞相撰文和思考，他们的后代子孙是否会以人工生命的形式回到太空去旅行一番。让我们仔细沉思一番，万物生长的自然之力，究竟起源于何处。荷兰理论物理学家埃里克·韦尔兰德（Erik Verlinde）曾提出，万有引力，是迄今为止，唯一仍抗拒我们在量子理论方面的研究成果的力量。它的本质就是一种基本力，如渗透作用一样，是一种统计的力量。
1707609356
1707609357
这是多么惊人的大颠覆啊！但我已经说了，我对这样的颠覆毫不诧异。
1707609358
1707609359
1707609360
1707609361
1707609363
世界因何美妙而优雅地运行 91THE GAIA HYPOTHESIS盖亚假说
1707609364
1707609365
斯科特·桑普森（Scott Sampson）
1707609366
1707609367
研究恐龙的古生物学家，犹他州自然历史博物馆研究馆长，著有《恐龙奥德赛：生命网上的化石线》（Dinosaur Odyssey）。
1707609368
1707609369
我 所心仪的，最为深邃、美妙而优雅的科学理论是盖亚假说，该假说的内容是：地球上的物理与生物过程相互密切交织，从而形成了一个自我调节系统。1965年，化学家詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）提出了这个概念，这是他的呕心沥血之作。其后，又得到了微生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）的进一步推动，他指出：空气（大气层）、水（水圈）、地球（岩石圈）和生命（生物圈）相互作用，形成了一个单一的进化系统，该系统能够维持环境条件与生命保持一致。洛夫洛克最初提出的盖亚假说，其目的是为了阐释地球上的生命何以存续近40亿年，尽管在此区间内，太阳的强度增加了30%。
1707609370
1707609371
盖亚假说是如何做到的呢？洛夫洛克和马古利斯证实，在缺乏有意识命令的控制系统的条件下，盖亚假说使用反馈回路来追踪和调整关键的环境参数。比如说氧气，这是高活性生命的副产品，它通过光合作用的藻类和植物生成，并源源不断地予以补充。目前大气的氧气浓度约为21%，如果低几个百分点，依靠空气呼吸的生命形式将不复存在；如果氧气浓度再高几个百分点，陆地生态系统将变得过于易燃，就会极易发生火灾。根据盖亚假说，是生成氧的有机体使用了反馈回路，从而使数亿年的大气氧含量维持在狭小的限度内。
1707609372
1707609373
基于研究的不断增加与深入，类似的结论也适用于其他的大气成分，以及全球地表温度、海洋盐度和其他关键的环境指标上。盖亚假说强调生物圈规模的合作，研究人员也记录了若干实例，表明在某个层级的合作，是如何通过较低层级的竞争和自然选择完成进化的。最初洛夫洛克激进的观点，被严苛的科学家批判为“新纪元”天书，但目前已渐渐汇入到科学正统当中，而且其中的关键原理还时常作为“地球系统科学”的授课内容。我们对涵盖更高物种多样性的食物链复杂度的经验，至少有一部分是来自于盖亚研究，这于我们来说犹如一场及时雨一般，该复杂度提升了生态和气候的稳定性。
1707609374
1707609375
因此，尽管地球可能栖息于一个宜居区内，而且恰好距离太阳不远不近，但是生命在这个“淡蓝之点”(15)（Pale Blue Dot）上的成功蔓延，不能仅仅归功于运气。生命有自己直接的方式来确保自己延续下去。
1707609376
1707609377
但在科学领域还未完全接受盖亚假说。我们必须承认的是，作为一种阐释与解答，盖亚假说还存在着片面性。源自盖亚的见解，毫无疑问，兼具深邃、美妙的特点，它将整个生物圈和地球的表层变化过程纳入到一个单一的、新兴的、自我调节系统中。但该理论还未达到本书Edge年度问题所定义的第三个特点：优雅。盖亚假说缺乏如爱因斯坦的E=mc2的数学精准性。目前还没有一个关于地球和生命的统一理论，并以此来解答为什么生命的稳定性强于它的动摇性。
1707609378
1707609379
进化生物学家威廉·汉密尔顿曾把洛夫洛克的理论与哥白尼的理论进行过对比，他补充道：“我们仍然在等待像牛顿这样的人出现，对这个宏大且看似不太可能的关系给出定律。”汉密尔顿自己对于寻求这个问题的答案极为痴迷，他所开发出的电脑模型似乎也可以说明，稳定性和生产率是如何相辅相成的。如果不是因为早逝，汉密尔顿或许可以成为当代的牛顿。
1707609380
1707609381
盖亚假说的文化内涵也不断引发人们的争论。洛夫洛克思想最为深刻的含义是，作为一个整体考量时，地球具有生物体的诸多特征。但盖亚是否如同一个单一生命形式存活着，或是更为准确地把她视为一个如行星大小的生态系统呢？林恩·马古利斯极力推崇后一个观念，我也由此比较信服后一个观念。于2011年离开人世的马古利斯，其研究工作革命性地颠覆了进化生物学的方方面面。作为一名精明务实的科学家，马古利斯曾经这样说道：“盖亚很强悍，它是一个在并无人类参与的情况下，已经运行了超过30亿年的系统。这个行星的表面和大气以及环境，在人类和偏见都消逝许久之后，仍然会持续进行着进化。”
1707609382
1707609383
虽然我并不排斥这样生硬直白的评价，但我也从盖亚假说上得到了相当大的灵感。事实上，据我所知，这个想法可以帮助转移人类对大自然的感知。从以现代主义者的角度来看，自然世界仅仅是一个有着无限资源的、可供人类开发利用的集合体。盖亚的观点鼓励着我们，把地球上的这个自然视为一种相互交织的有限整体，我们在其中上演着生与死。所以，将盖亚假说这个深邃且美妙的观点广而告之已然迫在眉睫。
[
上一页 ]
[ :1.707609334e+09 ]
[
下一页 ]