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1707609363 世界因何美妙而优雅地运行 91THE GAIA HYPOTHESIS盖亚假说
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1707609365 斯科特·桑普森(Scott Sampson)
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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)。
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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%。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。”
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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。
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1707609389 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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1707609391 劳伦斯·史密斯(Laurence C.Smith)
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1707609393 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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1707609395 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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1707609397 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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1707609399 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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1707609401 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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1707609403 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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1707609405 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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1707609407 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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1707609409 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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1707609411 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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