科学现场调查:人类独一无二?

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2015/02/0409:32:14 评论 2,775 views

寻找人类的意义

我们知道自己居住在一颗小行星上,这颗行星在围绕着一颗中年恒星公转;把视野放大到银河系,我们会发现,构成银河系的物质漩涡中存在着大约两千亿颗恒星,这颗中年恒星只是其中一颗;但对于可观测宇宙——从我们的位置向各个方向延伸超过435 000 000 000 000 000 000 000(4.35x10^23)千米,银河系又仅仅是宇宙中数千亿个星系之一。

按照任何人类计量标准,宇宙空间都是无比巨大的,宇宙中的物质也多得可怕。相对于宇宙极其漫长的历史而言,人类存在的时间不过一瞬;而且,宇宙还有着更为漫长的未来——无论人类是否存在。想要找到我们在宇宙中的位置、发现我们存在的意义,似乎是一个天大的玩笑。

然而,我们却正在试图这么做,尽管我们看起来非常平凡普通——大约500年前文艺复兴时期,哥白尼把地球从太阳系的中心位置拉下来时,这一点就非常明显了。

在评估自身意义的过程中,我们面临一个难题:一些发现和理论认为,生命既普通又常见,还有一些观点则与之完全相反。从细菌到大爆炸,我们该如何整合对宇宙的已有认知,进而来解释,我们是否是一种特殊存在?我们越来越了解自己在宇宙中的位置,这对于寻找地外生命又有着什么样的暗示?

认知缺陷

17世纪,商人兼科学家的安东尼·范·列文虎克用他手工制造的显微镜第一次看到了细菌,显微镜将我们能够观察的物理尺度一下子降低了几个量级,在这个令人惊奇的微小尺度上,我们看到了身体内部的“繁荣世界”。

只要看一眼鲸鱼和大树,我们就会知道,地球上存在着体积和质量都比我们大得多的生命体。然而在整个生命尺度图谱上,人类所处的位置其实更靠近生物尺度的上限。最小的可繁殖细菌只有零点几埃米(1埃米=1×10 -10米);最小的病毒大概是最小细菌的十分之一。人体的大小,大约是我们所知道的最简单生命形式的1 000万~1亿倍。

在恒温陆栖哺乳动物中,我们的体型也偏大,但并不是最大的。在小体型的一端,我们近亲中体积最小的是姬鼩鼱(pygmy shrew),这是一种身材袖珍、有皮毛和血肉的动物,体重仅2克。它们的体重处于一个允许存活的边缘带上,它们勉强可以通过狼吞虎咽地进食来补偿身体不断流失的热量。相对于我们的大小,大多数哺乳动物的体型都更接近姬鼩鼱,全球哺乳动物的平均体重仅为40克。在生命尺度图谱上,人类这种复杂的多细胞智慧生物体,位于最大生命尺度的边缘,仅有为数不多的哺乳动物比我们大。

我们处于一个交界线上:介于种类多样的小型生物和种类较单一的大型生物之间。

再来看一下我们的行星系统。在某些方面,它确实不同寻常。我们的太阳并不属于数量最多的恒星类型(数量最多的那类恒星中,多数恒星质量较小),相比大多数太阳系外行星,地球目前的公转轨道更接近圆形,轨道半径也更大;与周围的行星邻居相比,地球也算不上“超级地球”。

“超级地球”的质量是地球的数倍,所有行星系统中,至少有60%的行星属于“超级地球”,但在太阳系中却不存在“超级地球”。如果你是星系的缔造者,你可能是把太阳系作为异类来设计的——与普通星系相比,太阳系有点不太正常。

太阳系的一部分独特特征,可以归因于一点:相对于大多数星系,太阳系没有经历过大规模的动力学调整。但这并不意味着,我们可以确保太阳系未来依然会宁静祥和。一些先进的引力模拟表明,几亿年之后,太阳系可能会突然进入一个更加动荡的时期。此外,再过50亿年,太阳将会膨胀,进入间歇性动荡的老年阶段,太阳系内的行星特性会因此发生剧烈改变。所有这些都表明,今天的我们也正好处于时间的交界面或者边界上,处于太阳及其行星从青年时期向衰老期过渡的阶段。现在回想起来,我们处于这样一个相对平静的时期并不那么奇怪。

还有一点看起来也十分明显:天体物理学上的平静区域远远超出了银河系所在的范围。就整个宇宙而言,我们生存的这个时期,远远老于宇宙年轻而高温的骚动期。在宇宙中的每个角落,恒星诞生的速度都在放缓。其他恒星以及它们周围行星的平均形成率,只有80亿~110亿年前的3%。恒星正在慢慢淡出整个宇宙。就宏观宇宙而言,在50亿或60亿年前,宇宙就已处于大爆炸之后的减速状态中。现在,我们又再次处于一个平缓的过渡阶段。源自真空本身的暗能量正在加速空间的生长,并抑制宇宙中的结构向更大尺度发育。但这意味着,生命注定最终会走向惨淡未来,被隔离在越来越难以辨识的宇宙之中。

把所有这些因素加在一起,很明显,我们对内部和外部宇宙的认识都是高度受限的,犹如管中窥豹。隔绝于宇宙中其他任何生命(我们尚未找到或偶然遇到其他生命)这一基本事实,将会深刻影响我们的判断。

“有序—混沌”原理

我们有大量的证据支持哥白尼的观点,即我们并不特殊。然而我们所处环境的很多特性,又表达了不同的观点。

其中一些特性带来了所谓的人择原理(anthropic principle),通过观察大自然的某些基本常数,发现这些常数似乎以某种方式被“精细调整”过,使得宇宙的基本属性在某一边界附近达到平衡,而这一边界是地球及其生命得以存在的区域边界。哪怕偏差一点点,宇宙的性质就会截然不同。比如调整引力的相对强度,结果是要么无法形成恒星,也无法锻造出重元素,要么会出现大质量恒星;如果改变电磁力,原子之间的化学键就会变得太弱或太强,从而无法构建出多种多样的分子结构,也就无法形成令人难以置信的复杂宇宙。

我们该如何来理解这些矛盾?

我认为,就我们在宇宙中的位置,事实正在把我们推向一个新的科学理念,既有别于哥白尼理论,也不同于人择原理,我们或许可以把这一理念称之为有序—混沌原理(cosmochaotic principle),即介于有序(order,原于希腊语kósmos,意为“秩序”)和混乱之间的状态。它的实质是,生命,特别是像地球上的生命,会一直处于一些区域的边缘或界限上,而这些区域,在能量、位置、尺度、时间、有序和无序等诸多特性上,往往是不同的。行星轨道稳定还是混乱,行星上气候和物理学的变化,都是这些特性的直接表现。无论在哪个方向上,只要距离这些边界太远,生命的天平就会倒向不利的一端。与我们类似的生命,都需要各种因素恰当地组合在一起,才可能出现和存在。

靠近这些边缘区域,可以把系统的变动限制在可控的范围之内,但也不能太靠近,否则系统会经常崩溃。 “宜居带”(goldilocks zone)这个概念与之极为相似,所谓宜居带,就是恒星周围适宜行星存在的宇宙环境,这是一个非常小的参数空间。但对于生命而言,宜居带则可能是动态变化的——在空间或时间上是不固定的,它是一个不断变化、扭转、弯曲的多参数变量,就像一个舞者的肢体所画出的轨迹。

如果这是一个普适的规律,即生命只存在于这些环境之中,那它会为我们自身在宇宙中的意义带来一些有趣的可能性。不同于严格的哥白尼思想(强调我们是一种普通的存在,进而认为类似的情况在整个宇宙极为普遍),生命的存在需要不断变化的参数和动态调整的观点,缩小了生命可能存在的范围。根据这一新观点,生命存在的几率也与人择原理不同——后者最极端的预测认为,在所有的空间和时间内,生命形成只会有一次机会。相反,上述新观点可以确切地指出,生命应该出现的地方和可能会出现的频次。也指出了宜居带可能存在的位置。这个观点也说明,形成生命所需的基本特性,都存在于一个由许多游变的参数所构成的虚拟空间内,这也反映出了宜居带的位置。

这种形成生命的规律,并不意味着生命是现实世界的特殊部分。生命也许是这个宇宙或其他任何宇宙中最复杂的物理现象,但生命的产生过程,却非常特殊:必须要在介于有序和混沌之间的适当环境下,才可能诞生如此复杂的自然结构。关于生命最适合存在于哪些地方的理论,将帮助我们解决一直悬而未决的难题:在这个宇宙中,生命到底是普遍存在,还是极为罕见?

(本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2014年8月刊《地球是否独一无二》一文,撰文:凯莱布 · 沙夫(Caleb Scharf),翻译:谢懿,编者有删改。)

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