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，遠眺風煙下的古城，時空似乎一下子被濃縮了起來。濟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月，并于一八二一年二月二十三日客死羅馬的西班牙花臺。詩人身后寂寞。在墓前，我們只見到一位金發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《暴風雨》中阿雷爾之歌的兩行：

Nothingofhimthatdothfade，

Butdothsufferaseachange.

他未從塵世消隱，／正經歷滄海變幻。

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

生命是宇宙中的短暫現象，它正如海洋中的泡沫那樣，去而復來。在宇宙中，生命的形成是不可避免的。宇宙是最富有美學價值的對象，或許它也具有人類的弱點，總是希冀贊美，所以就處心積慮地產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是遠處的星系正在從我們這里退行而去，其標志便是這些星系的光譜線都向紅端移動，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。如果宇宙是閉合的，并且假定只有二維的話(實際宇宙的空間是三維的)，人們便可以用一個氣球來代表宇宙的空間，氣球上的斑點可代表星系，隨著氣球被吹脹，斑點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、任何一個方向都是平等的，并不存在宇宙的中心，至于氣球里面和外面的空間在這個比喻中不具有任何意義。在大爆炸那一時刻，空間的尺度為零，這對應于氣球被收縮成一點。在實際的宇宙中，其各個層次的結構如恒星、星系和星系團都在演化。一九六四年人們觀測到了宇宙背景的微波輻射，這正是熱大爆炸的殘余，因為宇宙曾經經歷了無與倫比的膨脹，所以它現在的溫度只剩絕對溫度的2.7度。從時間的觀點看，大爆炸可以認為是宇宙的誕生，時間在那里有一個開端。

如果宇宙中的物質密度足夠高，物質之間的萬有引力就會迫使宇宙的膨脹速度降低，并在將來的某一時刻使膨脹停止，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，關于大擠壓是否為大爆炸的時間反演的問題現在仍然未達到共識。如果宇宙的物質密度較為稀薄，則它會永遠膨脹下去。

宇宙起始于大爆炸的觀點在哲學上受到許多攻擊。這個理論之所以發展成今天的主流，根本原因是得到觀測上的有力支持。例如，從這個模型中可以計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，其實大爆炸奇性是時空的邊界，在它之外時空已經沒有意義，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，這個問題才豁然貫通了。

原來除了我們熟悉的實數時間外，還存在虛數時間。宇宙在虛時間里可被描述成一個四維的球面，它正和二維的地球表面那樣，既無開端也無終結，它就是存在。說來也許令人難以置信，這個四維球的尺度只和普郎克長度相當，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四維球在實時間方面的延拓展開。而四維球上的量子力學的起伏就是我們宇宙中的恒星、星系和星系團等等結構的起源。這種起伏是量子力學所允許的最小起伏，但是隨著宇宙在實時間中的膨脹，它被放大了，才會發展成今天這樣的結構。一九九年宇宙背景探索者發現，宇宙微波背景溫度在太空不同方向的相對起伏小于十萬分之一。這個結果剛好和量子宇宙論的計算相一致。這個起伏如果太大，宇宙就不可能如斯光滑；如果太小，則不足以形成這些結構。

世界上存在一種普適的單方向傾向，這就是所謂的時間方向箭頭，例如生老病死、通貨膨脹等等，這種傾向可以用一個量的增長來表征，這就是熵。熵可以粗略地認為是系統無序度或我們對其信息缺失的量度。一個孤立系統的熵是永不減少的。由于引力的參與，宇宙不可以簡單地視作一個孤立系統，盡管因為宇宙是自足的，所以它是絕對孤立的。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，演化成今天這樣非?；靵y的高熵的狀態。它將來還會達到熵的極大值，也就是熱死的狀態，那時宇宙整體也許還會演化，但是它的內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都處于熵為零的純粹的狀態，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。宇宙為什么不永遠處于絕對有序或者絕對混亂的狀態，而是處于以絕對有序向絕對混亂的變化過程之中呢？這個問題對于宇宙中生命的形成真是關系重大。

在量子宇宙論中，宇宙的狀態自始至終是由它的所謂基態波函數所描述，這是一種純態，所以熵為零，似乎宇宙必須極其寒冷，其溫度為絕對零度。但是宇宙顯然不是處于這種狀態，這又是為什么呢？這是由于宇宙的熵是觀察者對于有關宇宙的知識或信息缺失的量度。這個定義似乎依觀察者而變，因而不夠客觀，但是由于宏觀系統的信息是如此之大，不同觀察者測量到的熵值之差異是微不足道的。例如在黑洞的情形下，外界的觀察者對黑洞表面即視界內的細節完全無知，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，它越來越多的結構模式的尺度很快就隨著超出視界尺度，所以在實際上我們就不再覺察到這些模式的存在，因此宇宙的熵隨時間而增長。所以結論是，整宇宙是處于純態之中，但是由于宇宙視界的限制，我們可能觀測到的宇宙部分是處于混合態之中，由于宇宙的膨脹，這種混合態的熵值隨之增長。

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的熱大爆炸理論描述。整個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。熱力學是研究熱現象的學科。它的發展大致上可以分成三個階段，平衡態熱力學、線性熱力學的遠離平衡態的熱力學。

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

昂薩格是線性熱力學的代表人物。他發現了，在用外界的條件來維持系統處于鄰近熱平衡的狀態下，存在非常漂亮的所謂的對易關系，例如溫度差引起物質流，而物質濃度流也引起熱流等等。后來普里高津證明，當這種系統到達不變的狀態時，雖然總的熵是增加的，但是內在熵的產生率處于最低值。這一方面的研究暗示，有序組織可以在鄰近熱平衡態中形成。

遠離平衡態熱力學的代表人物是普里高津。當系統極度偏離熱平衡時，整體熵會極其迅速增加。令人吃驚的是，這時系統會出現在時間上和空間上極其有序的行為，大量粒子在時空中以協調一致的方式運動，形成所謂的“耗散結構”，它和外界進行物質和能量的交換，吸收低熵值的物質或能量，排出高熵值的物質或能量，雖然自身在大量地產生熵，卻能維持低熵的狀態。產生耗散結構的過程叫做“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。由熱力學第二定律或熵增定律得知，這對于孤立系統根本不可能，所以生命必須新陳代謝，和環境進行交流。在本質上講，人們消耗食物和呼吸不是為了吸收能量，而是為了吸收負商。他嘲笑那些在食譜上標明熱量的作法，當然今天人們有了為了身材苗條而節食的動機，這個嘲笑已經沒有太多道理了。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。下面這個事實令人印象深刻，人的一生要消耗整整一列車的食品，這么辛苦地吃食品，卻只是為了對抗熱力學第二定律?？梢?，人們一生所消耗食物的能量即質量遠遠超過建造他或她身體所需要的物質。如果我們不能維持低熵的狀態，那便意味著死亡的來臨。

從這種觀點看，生命正是一種非常精巧的耗散結構。至于如何由生命產生精神以及智慧已超過本文的范圍。

小結如下：任何孤立系統的無序度總是不減的，它很快會到達熱平衡狀態。因為宇宙是自足的，所以在嚴格的意義上講，它是絕對孤立的系統。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。宇宙既不處于零熵(冷死)也不處于熱死的狀態，而是處于由零熵到熱死演化的漫長過程中。在這個熵增過程中會出現局部的遠離平衡態的耗散結構，它和外界環境進行物質和熵(信息)的交換，使自己維持于低熵狀態。耗散結構的最精巧形式便是生命現象，所以我們可以講：生命是宇宙之子。