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世界因何美妙而优雅地运行 91THE GAIA HYPOTHESIS盖亚假说
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斯科特·桑普森（Scott Sampson）
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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）。
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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%。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。”
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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。
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世界因何美妙而优雅地运行 92THE CONTINUITY EQUATIONS连续性方程式
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劳伦斯·史密斯（Laurence C.Smith）
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加州大学洛杉矶分校地球与空间科学教授、地理学教授，著有《2050人类大迁徙》。
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我 将要说的这些内容对你而言，都是耳熟能详的，最起码，也是你听说过的。几乎无人不知质量守恒定律，也几乎无人不晓它的搭档——能量守恒定律。这些定律告诉我们，对于真实世界中的现象，即非量子、非广义相对论的现象而言，物质与能量从来不曾被创造或被摧毁。它们只能是被拖过来拽过去。该概念至少可以追溯到古希腊时期，它在18世纪得以正式公布，是现代化学的一大进步，并且时至今日，于无形中支撑着物理学、生命科学和自然科学的方方面面。质量守恒定律最终捣碎了炼金术士把铅炼成金子的追求；能量守恒定律则是把巫师那令人畏惧的力量转变为《魔戒》粉丝军团的想象。
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通过提出明确的数学公式，即追踪质量连续性和能量连续性，实现从一个区域或状态到另一个区域或状态的存储和（或）转移，连续性方程式促使这些定律向前迈出了重要的一步。鉴于此，连续性方程式并非是一对真的方程式，而是被写成各种形式，范围覆盖从极易到极难，以此来最佳呈现所要描述的物理现象。备受数学家和物理学家所推崇的最为优雅的形式，则是拥有精致细腻的细节与由此而生的繁复。一个经典的案例便是纳维-斯托克斯（Navier Stokes）方程式，某些时候也称为圣维南（Saint-Venant）方程式，该方程式可用来理解液体的流动和加速度。纳维-斯托克斯方程式的美，在于其可以通过显式分区，以及通过空间和时间，来追踪质量、能量和动量。然而，在实际运用当中，这样繁复的细节也让这组方程式变得极为难解，要么需要强大的计算能力，要么就需要简化方程式本身的假设条件。
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但是连续性方程式的威力远非局限于复杂的形式，或者只有数学家和物理学家方可领会。举个例子，一位森林管理员可以使用一种简单的、被誉为质量连续方程式的质量平衡表来全面了解他所管理的森林，具体方法是：把树木的数量、大小和密度的数据相加，以确定幼苗的生长速度，然后减去树木的死亡率以及装运木材的货车承载量，从而了解总的树木数量（生物量）是增加、减少还是保持稳定。
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汽车工程师通常会运用简单的能量平衡方程式，比如，设计一款混合动力汽车，从其刹车系统回收动能。能量并非是真正的被创造或被毁坏了，只是被再次回收了而已。在这个例子里，从汽车发动机开始，能量来自于远古化学键的分裂，而这些化学键的能量则源于光合作用，太阳是这些光合作用的能量来源。当然，刹车系统中无法回收的能量也并非是丢失了，而是成为低热量排放到了大气中。
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隐藏于这些定律和方程式背后最基本的假设是，在一个封闭系统中，质量和能量是守恒的。在原则上来说，只有从开始（太阳）到结束（排放到大气的热量）的过程中，能量的消耗量都能够得以追踪，混合动力车才能满足能量的连续性。这是一项繁琐冗长的计算，因而该过程通常被看作是一个开放的系统。只有从源头（矿石）到垃圾填埋都被追溯时，汽车生产所使用到的金属才满足质量的连续性。这种追溯更具可行性，对这种从摇篮到墓地的资源进行计算，对诸多环保人士而言是首要原则，比起我们当前的经济模型，即把上述的资源流动视为开放系统，该模型与自然定律更为兼容和匹配。
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我们的地球，就好比是一辆汽车，从实践角度看，在能量方面它是一个开放系统，质量上则是一个封闭系统。尽管地球还是会被陨石所撞击，但现在陨石输入的能量大可忽略不计。能量让生命成为可能：如果没有太阳源源不断地注入新的外部能量，我们所知的生命就会快速凋零。外部资源不可或缺，这是因为依照热力学第二定律，尽管能量不能被摧毁，但会不断衰减，作用下降。看看混合动力汽车的刹车片吧，它们所散发的热量没有更大的价值。能量系统的开放性是双向的，这是因为地球会同时将红外线热能发射回太空中，我们看不见这种辐射，但对位于电磁频谱范围内、具有“视力”的卫星而言，地球是一颗犹如太阳那般熠熠生辉的天体。
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有意思的是，这个针对封闭/开放的二分法，是解释为什么气候变化必然会发生另一个原因。通过燃烧石化燃料，我们将碳（质量）由地表下带到大气层，地表与地球能量的平衡并无任何实质上的相互作用。这就不难理解，碳在大气中改变了地球的能量平衡，这个物理过程在1893年就已经被世人所理解。这一切要归功于瑞典的化学家斯万特·阿雷纽斯（Svante Arrhenius）。如果没有碳和其他温室气体，我们的地球将是一个濒死的且被冰雪覆盖的岩石。是温室气体阻止了这一切，它们选择性地改变了对流层中，也就是离地球表面最近的几英里的大气层中的能量平衡，那里也是大气层中绝大部分气体所在之处，这样不仅防止了冰冻的状况发生，也从而增加了地球向外发射红外线辐射的热量。因为这部分能量排放到太空中还会再流回到地球，从而使对流层的低层变暖，以此达到能量平衡。能量的连续性就是这样一个过程。
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但是，我们地球的碳原子和我们是永远被困在这里的，这是质量连续性的要求。问题就出现了，我们要以怎样的广阔程度、怎样的速度，把碳带到地球表面上？我们又该如何做出取舍？自然资源、气候变化和物理学的其他问题，通常能够被精简到一组简单而又优雅的方程式中，只要我们有足够高深精湛的能力，就可求得一解。
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注：本文作者劳伦斯·史密斯的《2050人类大迁徙》已由湛庐文化策划，浙江人民出版社出版。
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