生命：宇宙之子

吴忠超

十一年前的夏天，笔者和胡小明女士曾得便访问罗马新教坟场上英国诗人济慈和雪莱之墓。站在这座不朽之都的城墙上，近处树影婆娑，绿草如茵，鲜花似锦，坟茔森森，远眺风烟下的古城，时空似乎一下子被浓缩了起来。济慈因罹肺病在意大利温暖的气候里度过了生命的最后几个月，并于一八二一年二月二十三日客死罗马的西班牙花台。诗人身后寂寞。在墓前，我们只见到一位金发少年跪在他墓碑前默诵诗章，墓碑上刻有姓名生死年月日以及一把竖琴。雪莱于一八二二年七月八日在斯匹齐亚海湾航船上遇暴风雨而溺毙。他的友人将其骨灰营葬于此。他的那块平躺着的白大理石墓碑四周环以铁链和鲜花，上面镌刻着的除了姓名和生卒年月日以外，还有莎士比亚《暴风雨》中阿雷尔之歌的两行：

Nothingofhimthatdothfade，

Butdothsufferaseachange.

他未从尘世消隐，／正经历沧海变幻。

这和雪莱生涯非常贴切。它不但道尽了生命的欢乐和无奈，而且也完全符合现代人对生命底蕴的理解。

生命是宇宙中的短暂现象，它正如海洋中的泡沫那样，去而复来。在宇宙中，生命的形成是不可避免的。宇宙是最富有美学价值的对象，或许它也具有人类的弱点，总是希冀赞美，所以就处心积虑地产生了能鉴赏它的生命，而生命的最高形式便是人类。

宇宙诞生于大约一百五十亿年前的一次大爆炸，之后，它就以在空间上均匀的各向同性的方式，膨胀开来；这种膨胀的明显证据是远处的星系正在从我们这里退行而去，其标志便是这些星系的光谱线都向红端移动，这就是著名的“哈勃定律”。大爆炸是一种具有极高温度和极大能量密度的奇性状态。如果宇宙是闭合的，并且假定只有二维的话(实际宇宙的空间是三维的)，人们便可以用一个气球来代表宇宙的空间，气球上的斑点可代表星系，随着气球被吹胀，斑点也就是星系之间的距离不断增加，这就是宇宙膨胀的情景，气球上的任何一点、任何一个方向都是平等的，并不存在宇宙的中心，至于气球里面和外面的空间在这个比喻中不具有任何意义。在大爆炸那一时刻，空间的尺度为零，这对应于气球被收缩成一点。在实际的宇宙中，其各个层次的结构如恒星、星系和星系团都在演化。一九六四年人们观测到了宇宙背景的微波辐射，这正是热大爆炸的残余，因为宇宙曾经经历了无与伦比的膨胀，所以它现在的温度只剩绝对温度的2.7度。从时间的观点看，大爆炸可以认为是宇宙的诞生，时间在那里有一个开端。

如果宇宙中的物质密度足够高，物质之间的万有引力就会迫使宇宙的膨胀速度降低，并在将来的某一时刻使膨胀停止，然后宇宙开始收缩，最后再坍缩成温度极高密度极大的大挤压状态，关于大挤压是否为大爆炸的时间反演的问题现在仍然未达到共识。如果宇宙的物质密度较为稀薄，则它会永远膨胀下去。

宇宙起始于大爆炸的观点在哲学上受到许多攻击。这个理论之所以发展成今天的主流，根本原因是得到观测上的有力支持。例如，从这个模型中可以计算出宇宙的轻元素丰度，其中氦元素的丰度大约为四分之一左右，这和观测很一致。人们一直追问在大爆炸之前宇宙是什么样子的，其实大爆炸奇性是时空的边界，在它之外时空已经没有意义，但是这种回答似乎仍然不能满足人类追求永恒的心理，只有在量子宇宙论的研究中，这个问题才豁然贯通了。

原来除了我们熟悉的实数时间外，还存在虚数时间。宇宙在虚时间里可被描述成一个四维的球面，它正和二维的地球表面那样，既无开端也无终结，它就是存在。说来也许令人难以置信，这个四维球的尺度只和普郎克长度相当，也就是10—33厘米左右。我们把大爆炸事件以及宇宙的膨胀看成这个四维球在实时间方面的延拓展开。而四维球上的量子力学的起伏就是我们宇宙中的恒星、星系和星系团等等结构的起源。这种起伏是量子力学所允许的最小起伏，但是随着宇宙在实时间中的膨胀，它被放大了，才会发展成今天这样的结构。一九九年宇宙背景探索者发现，宇宙微波背景温度在太空不同方向的相对起伏小于十万分之一。这个结果刚好和量子宇宙论的计算相一致。这个起伏如果太大，宇宙就不可能如斯光滑；如果太小，则不足以形成这些结构。

世界上存在一种普适的单方向倾向，这就是所谓的时间方向箭头，例如生老病死、通货膨胀等等，这种倾向可以用一个量的增长来表征，这就是熵。熵可以粗略地认为是系统无序度或我们对其信息缺失的量度。一个孤立系统的熵是永不减少的。由于引力的参与，宇宙不可以简单地视作一个孤立系统，尽管因为宇宙是自足的，所以它是绝对孤立的。但是宇宙在膨胀的过程中，它的熵是增加的，它从一种非常光滑的也就是熵为零的状态，演化成今天这样非常混乱的高熵的状态。它将来还会达到熵的极大值，也就是热死的状态，那时宇宙整体也许还会演化，但是它的内容已丧失演化的意义，这意味着一切已归于死亡。还有另一种含义的死亡，即宇宙从开端到终结都处于熵为零的纯粹的状态，一切都是有序的、一目了然的，温度也为零，这样的宇宙肯定是无生命的。宇宙为什么不永远处于绝对有序或者绝对混乱的状态，而是处于以绝对有序向绝对混乱的变化过程之中呢？这个问题对于宇宙中生命的形成真是关系重大。

在量子宇宙论中，宇宙的状态自始至终是由它的所谓基态波函数所描述，这是一种纯态，所以熵为零，似乎宇宙必须极其寒冷，其温度为绝对零度。但是宇宙显然不是处于这种状态，这又是为什么呢？这是由于宇宙的熵是观察者对于有关宇宙的知识或信息缺失的量度。这个定义似乎依观察者而变，因而不够客观，但是由于宏观系统的信息是如此之大，不同观察者测量到的熵值之差异是微不足道的。例如在黑洞的情形下，外界的观察者对黑洞表面即视界内的细节完全无知，它的熵刚好和黑洞视界面积成比例。宇宙的情形也很类似。由于宇宙早期极其迅速的膨胀，它越来越多的结构模式的尺度很快就随着超出视界尺度，所以在实际上我们就不再觉察到这些模式的存在，因此宇宙的熵随时间而增长。所以结论是，整宇宙是处于纯态之中，但是由于宇宙视界的限制，我们可能观测到的宇宙部分是处于混合态之中，由于宇宙的膨胀，这种混合态的熵值随之增长。

正面的议论和宇宙从极热的大爆炸演化而来并不矛盾。正如前面说的，更精确的说法是，宇宙在无中生有后一度非常光滑，初始的熵值为零，量子起伏在宇宙随后的膨胀中得到放大，形成了热辐射，之后的演化才由传统的热大爆炸理论描述。整个宇宙的温度虽然在降低，但由于宇宙体积在增大，所以总熵总是在增大。

我们下面讨论在宇宙熵增的背景下生命如何形成。热力学是研究热现象的学科。它的发展大致上可以分成三个阶段，平衡态热力学、线性热力学的远离平衡态的热力学。

平衡态热力学的主要成果是，热平衡物体的温度处处相等，热量是能量的一种形式，孤立系统的熵不能减少等等。

昂萨格是线性热力学的代表人物。他发现了，在用外界的条件来维持系统处于邻近热平衡的状态下，存在非常漂亮的所谓的对易关系，例如温度差引起物质流，而物质浓度流也引起热流等等。后来普里高津证明，当这种系统到达不变的状态时，虽然总的熵是增加的，但是内在熵的产生率处于最低值。这一方面的研究暗示，有序组织可以在邻近热平衡态中形成。

远离平衡态热力学的代表人物是普里高津。当系统极度偏离热平衡时，整体熵会极其迅速增加。令人吃惊的是，这时系统会出现在时间上和空间上极其有序的行为，大量粒子在时空中以协调一致的方式运动，形成所谓的“耗散结构”，它和外界进行物质和能量的交换，吸收低熵值的物质或能量，排出高熵值的物质或能量，虽然自身在大量地产生熵，却能维持低熵的状态。产生耗散结构的过程叫做“自组织”。

薛定谔在《什么是生命》一书中指出，生命存在的必要条件是它能抵抗熵的无情增加。由热力学第二定律或熵增定律得知，这对于孤立系统根本不可能，所以生命必须新陈代谢，和环境进行交流。在本质上讲，人们消耗食物和呼吸不是为了吸收能量，而是为了吸收负商。他嘲笑那些在食谱上标明热量的作法，当然今天人们有了为了身材苗条而节食的动机，这个嘲笑已经没有太多道理了。人们吸收低熵值的东西，排泄高熵值的东西，才能维持低熵使生命存活。下面这个事实令人印象深刻，人的一生要消耗整整一列车的食品，这么辛苦地吃食品，却只是为了对抗热力学第二定律。可见，人们一生所消耗食物的能量即质量远远超过建造他或她身体所需要的物质。如果我们不能维持低熵的状态，那便意味着死亡的来临。

从这种观点看，生命正是一种非常精巧的耗散结构。至于如何由生命产生精神以及智慧已超过本文的范围。

小结如下：任何孤立系统的无序度总是不减的，它很快会到达热平衡状态。因为宇宙是自足的，所以在严格的意义上讲，它是绝对孤立的系统。但是由于引力作用的参与，它又不是在通常意义上的孤立系统。宇宙既不处于零熵(冷死)也不处于热死的状态，而是处于由零熵到热死演化的漫长过程中。在这个熵增过程中会出现局部的远离平衡态的耗散结构，它和外界环境进行物质和熵(信息)的交换，使自己维持于低熵状态。耗散结构的最精巧形式便是生命现象，所以我们可以讲：生命是宇宙之子。