熱大爆炸宇宙學(xué)給出了怎樣的宇宙前景

【專家解說(shuō)】：第三講 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的前沿和邊緣 (華東師范大學(xué) 張沁源 2005年10月19日) 一,常識(shí)空間以外的物理科學(xué) 向宏觀和微觀兩個(gè)極端的深化 20世紀(jì)的科學(xué)取得了巨大的成果,就物質(zhì)層次及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)來(lái)說(shuō),涉及以下五個(gè)層次的物質(zhì)系統(tǒng).第一,原子分子層次;第二,原子核層次;第三,夸克層次;第四,輕子層次;第五,宇宙層次.前四個(gè)層次又可歸入微觀體系.第五個(gè)層次與地球上物體,行星,恒星等一起可歸入宏觀體系. 原子分子層次雖然在19世紀(jì)已有初步認(rèn)識(shí),但是真正在理論和實(shí)驗(yàn)上都進(jìn)行深入探究并獲得重大成果是在20世紀(jì),尤其在量子力學(xué)誕生的20世紀(jì)20年代以后.對(duì)原子分子層次的研究涉及物理學(xué),化學(xué)和生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科,如量子化學(xué),分子生物學(xué),凝聚態(tài)物理學(xué)等. 以居里夫人為首的科學(xué)家對(duì)物質(zhì)放射性的研究,使人類認(rèn)識(shí)了物質(zhì)存在的另一層次--原子核.原子核是由中子和質(zhì)子組成的系統(tǒng),中子和質(zhì)子依靠強(qiáng)相互作用緊緊地結(jié)合在一起形成原子核.對(duì)原子核的研究使人類獲得了新的能源--核能,并成功地建造了核反應(yīng)堆,實(shí)現(xiàn)了核能的和平利用. 夸克層次是20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行研究的.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)夸克是比中子,質(zhì)子等其他粒子更基本的粒子,中子,質(zhì)子和其他一些粒子都是由夸克組成的.自那以來(lái),科學(xué)家利用能量極高的加速器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了總共6種夸克.夸克層次遵循量子色動(dòng)力學(xué)所描述的規(guī)律. 輕子層次的研究早于夸克層次的研究.最初的對(duì)象主要是光子和電子,后來(lái)發(fā)現(xiàn)了μ子和τ子及其與之相對(duì)應(yīng)的三種中微子,即電子中微子,μ子中微子和τ子中微子.1956年代,楊振寧和李政道在輕子層次上發(fā)現(xiàn)了宇稱不守恒,10年后溫伯格等科學(xué)家又建立了描述輕子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的電弱統(tǒng)一理論.電弱統(tǒng)一理論,顧名思義就是把電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一起來(lái)的理論,也稱為標(biāo)準(zhǔn)模型. 宇宙層次的研究是建立在廣義相對(duì)論的理論和河外星系譜線紅移,3K微波背景輻射等天文觀測(cè)基礎(chǔ)之上的.廣義相對(duì)論第一次實(shí)現(xiàn)了把宇宙作為整體進(jìn)行的研究;河外星系譜線紅移和哈勃定律表明宇宙在膨脹;K微波背景輻射表明宇宙早期曾處于高溫高密的狀態(tài),宇宙誕生于熱大爆炸.今天,廣義相對(duì)論所預(yù)言的黑洞也獲得了觀測(cè)上的間接證實(shí). 以上五個(gè)物質(zhì)層次的空間跨度從最小10-19米到最大1010光年(約1017米),相差1036倍.但是,這五種物質(zhì)層次之間的本質(zhì)區(qū)別,不在于它們空間范圍的大小,而在于物質(zhì)層次中起主導(dǎo)因素的相互作用的不同.例如,在宇宙層次,最重要的是引力相互作用;在原子分子層次,最主要的是電磁相互作用;在原子核和夸克層次,最主要的是強(qiáng)和弱相互作用;在輕子層次,最主要的是弱和電磁相互作用.人們正是通過(guò)對(duì)這五個(gè)物質(zhì)層次的研究,認(rèn)清了自然界相互作用的四種基本形式. 在宇宙層次上,1917年愛(ài)因斯坦發(fā)表了題為"根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考查"的論文,開(kāi)創(chuàng)了在理論上把宇宙作為物理整體進(jìn)行研究的先河,成為現(xiàn)代宇宙學(xué)誕生的標(biāo)志性文獻(xiàn).1946年,美籍俄國(guó)物理學(xué)家伽莫夫首次將廣義相對(duì)論和原子核理論聯(lián)系在一起,探索宇宙膨脹和宇宙元素豐度二者的起源,提出熱大爆炸宇宙學(xué)模型.1965年,由彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的3K微波背景輻射成為熱大爆炸宇宙學(xué)模型的最有力的支持.自那以來(lái),熱大爆炸宇宙學(xué)模型已成為宇宙學(xué)理論研究的主流,因而被稱之為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型.20世紀(jì)80年代,在熱大爆炸宇宙學(xué)模型的基礎(chǔ)上又提出了描述極早期宇宙的暴脹理論和試圖解釋宇宙起源的量子宇宙學(xué). 1989年,美國(guó)發(fā)射了"宇宙背景探測(cè)器"COBE.1990年,發(fā)送回來(lái)的最初一批探測(cè)資料表明,微波背景輻射與2.730K的理論曲線吻合程度達(dá)到99.75%.1992年COBE衛(wèi)星探測(cè)到的背景輻射的不均勻性與熱大爆炸宇宙學(xué)模型所需的極早期中的暴脹理論相符. 根據(jù)熱大爆炸宇宙學(xué)模型,我們已經(jīng)比較有把握地對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)宇宙的運(yùn)動(dòng)和宇宙的演化作出說(shuō)明.宇宙具有均勻和各向同性的結(jié)構(gòu),宇宙作為一個(gè)整體正在膨脹.宇宙起源于高溫高密,每個(gè)空間點(diǎn)都在進(jìn)行著(沒(méi)有中心)的大爆炸.自宇宙大爆炸時(shí)刻起宇宙開(kāi)始膨脹,隨著膨脹,宇宙的密度減小,宇宙的溫度降低.大爆炸后的第百分之一秒,溫度降到攝氏一千億度,宇宙中有電子,正電子,中微子,光子和少量的質(zhì)子,中子等基本粒子,每10億個(gè)光子(或電子或正電子或中微子)對(duì)應(yīng)一個(gè)質(zhì)子或中子;大爆炸后的第180秒,溫度降到攝氏10 億度,質(zhì)子和中子組合成氦原子核;大爆炸后的70 萬(wàn)年,溫度降到攝氏4000度,電子和原子核結(jié)合成原子,以后形成星系和恒星;今天已是大爆炸后的150億年,溫度不到攝氏零下270度(3K). 那么宇宙的未來(lái)將是怎樣的呢 這決定于宇宙現(xiàn)在的物質(zhì)密度.如果物質(zhì)密度等于或小于一個(gè)臨界密度,宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去;如果物質(zhì)密度大于這臨界密度,宇宙膨脹到一定程度后會(huì)漸漸減慢膨脹的速度并由膨脹轉(zhuǎn)為收縮,最終回到像大爆炸時(shí)刻那樣的高溫高密狀態(tài).1998年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙目前正在加速膨脹,看來(lái)宇宙很可能會(huì)永遠(yuǎn)膨脹,宇宙的演化是沒(méi)有盡頭的. 走向統(tǒng)一之路 沿著相對(duì)論和量子力學(xué)所指引的道路,在20世紀(jì)中的大半個(gè)世紀(jì),人們開(kāi)始尋找更高層次的統(tǒng)一,即自然力的統(tǒng)一或相互作用的統(tǒng)一.迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的自然力,只有4種,即強(qiáng)力,電磁力,弱力和引力.這4種力或4種相互作用無(wú)論是強(qiáng)度還是力程都大相徑庭,初略看來(lái),似乎毫無(wú)統(tǒng)一的基礎(chǔ).但是,背后真的沒(méi)有統(tǒng)一的機(jī)制嗎 愛(ài)因斯坦不這么看,他認(rèn)為追求自然界的統(tǒng)一,不僅是一個(gè)科學(xué)家的神圣的職責(zé),而且科學(xué)家有這個(gè)能力.他說(shuō):"我們能否果真希望找到一條正確的道路 不僅如此,這條正確的道路除了作為我們的幻想以外是否還有存在的余地呢 我們能否希望由經(jīng)驗(yàn)來(lái)指引我們走向這條正確的道路,如果確有那些在很大程度上對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芟抡_判斷但并沒(méi)有追溯到事物根源的理論(例如經(jīng)典力學(xué))存在 我可以毫不猶豫地回答說(shuō),根據(jù)我的意見(jiàn),確實(shí)有一條正確的道路,而且我們有能力去找到它." 事實(shí)上,愛(ài)因斯坦在創(chuàng)立廣義相對(duì)論后就一直在致力于電磁相互作用和引力相互作用的統(tǒng)一,雖然并未成功,但是他始終認(rèn)為,以后一定會(huì)有人繼續(xù)他未竟的事業(yè).愛(ài)因斯坦沒(méi)有講錯(cuò),在統(tǒng)一之路上自有后來(lái)人. 就在愛(ài)因斯坦去世的這一年(1955年),楊振寧創(chuàng)立了規(guī)范對(duì)稱理論.根據(jù)規(guī)范對(duì)稱理論知道,強(qiáng)相互作用,電磁相互作用,弱相互作用和引力相互作用都是由規(guī)范對(duì)稱這個(gè)原則支配的,因?yàn)檫@4種相互作用對(duì)應(yīng)4種力,所以楊振寧把它叫做對(duì)稱支配力.既然4種相互作用都受規(guī)范對(duì)稱支配,那么4種相互作用就有可能在規(guī)范對(duì)稱的原則下統(tǒng)一起來(lái). 1969年,溫伯格和薩拉姆在規(guī)范對(duì)稱理論基礎(chǔ)上率先實(shí)現(xiàn)了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一.弱電統(tǒng)一理論有一個(gè)重要的預(yù)言,那就是在有弱相互作用和電磁相互作用的基本粒子反應(yīng)中,例如,電子和中微子的散射過(guò)程中,應(yīng)該存在中性流.中性流是由Z這種中性粒子形成的粒子流.除了中性流外還有由W和W傳遞的帶電流.W,W和Z都是規(guī)范粒子.1982年,西歐中心的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在一臺(tái)質(zhì)子與反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)從140000個(gè)碰撞事例中,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)篩選,終于找到5個(gè)事例可以確認(rèn)W粒子的產(chǎn)生.1983年,西歐中心又找到了6個(gè)Z粒子產(chǎn)生的事例.實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的這三個(gè)粒子的質(zhì)量,與理論完全符合.弱電統(tǒng)一理論得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí).溫伯格和薩拉姆因此獲得1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 弱電統(tǒng)一的成功增大了把4種相互作用全部統(tǒng)一起來(lái)的信心.20世紀(jì)70年代,建立了在SU(5)群數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上把強(qiáng)相互作用,弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來(lái)的理論,稱之為SU(5)大統(tǒng)一理論. SU(5)大統(tǒng)一理論能夠說(shuō)明對(duì)強(qiáng)相互作用,電磁相互作用和弱相互作用已有的認(rèn)識(shí),但是它的二個(gè)重要預(yù)言:質(zhì)子衰變和存在磁單極子,一直未為實(shí)驗(yàn)證實(shí).當(dāng)前實(shí)驗(yàn)上給出的質(zhì)子的壽命幾乎是無(wú)限地長(zhǎng)的,因?yàn)橘|(zhì)子的半衰期大于1 億億億億年,但是在大統(tǒng)一理論里,質(zhì)子的半衰期小于1億億億億年.至于磁單極子,大家都沒(méi)有看到過(guò).因?yàn)榇拍蠘O總是和磁北極相伴著的.盡管著名物理學(xué)家狄拉克在1937年曾經(jīng)提出過(guò)可能存在磁單極子的假說(shuō),但是人們并沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待這個(gè)假說(shuō).現(xiàn)在,大統(tǒng)一理論再次提出存在磁單極子的假說(shuō),導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)室努力地去尋找磁單極子,至今沒(méi)有找到.看來(lái)SU(5)大統(tǒng)一理論不是一個(gè)合理的大統(tǒng)一方案. 大統(tǒng)一理論雖然在今天仍存在許多困難,但是很多科學(xué)家并不認(rèn)為應(yīng)該放棄統(tǒng)一的思想.例如,楊振寧就認(rèn)為統(tǒng)一是個(gè)方向,目前的問(wèn)題,很可能是因?yàn)閷?duì)稱的概念還沒(méi)有得到很好的擴(kuò)大.他在談到對(duì)稱與相互作用統(tǒng)一理論的關(guān)系時(shí)說(shuō):"今天還未能解決的問(wèn)題,很可能是出于我們還未把對(duì)稱這個(gè)概念推廣到頭.最近這20多年來(lái),推廣與再推廣對(duì)稱的概念已變成一個(gè)熱門(mén)的課題.1973年,有人提出來(lái)一個(gè)非常巧妙的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),叫做超對(duì)稱.1976年,有人提出來(lái)一個(gè)新的對(duì)稱概念,叫做超引力.它與超對(duì)稱雖然不一樣,可是有密切關(guān)系.1984年又有人提出了超弦.其實(shí),所有這些發(fā)展方向的精神都是一樣的,就是要把今天我們已擴(kuò)大到相當(dāng)大的,前所不能想象的一些對(duì)稱觀念再擴(kuò)充一下.……其前途如何,我們現(xiàn)在還不敢講.不過(guò),假如你去問(wèn)一個(gè)研究基本物理的人,這個(gè)總的方向--希望把對(duì)稱的觀念再擴(kuò)充一點(diǎn),再延展一下,通過(guò)這些努力企圖來(lái)解決一些我們現(xiàn)在尚未解決的問(wèn)題,是不是一個(gè)正確的方向呢 我想90%的人都會(huì)覺(jué)得這是一個(gè)正確的方向,雖然這個(gè)正確方向中的一些細(xì)節(jié)要向何處走,尚在摸索之中."(楊振寧,自然雜志,1995年10月,257頁(yè)) 科學(xué)不會(huì)停止發(fā)展,21世紀(jì)的物理科學(xué)正面臨新的突破.盡管相對(duì)論和量子力學(xué)各自都很成功,而且在量子場(chǎng)論等領(lǐng)域它們也被結(jié)合在一起.但是,最近10多年來(lái),在相對(duì)論和量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程中卻出現(xiàn)了不協(xié)調(diào).正如溫伯格所說(shuō),現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)"量子力學(xué)和狹義相對(duì)論幾乎是不相容的,它們?cè)诹孔訄?chǎng)論里的調(diào)和為粒子的相互作用方式帶來(lái)了有力的限制". (S·溫伯格,《終極理論之夢(mèng)》,湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2003年,第114頁(yè))量子力學(xué)和相對(duì)論的不協(xié)調(diào)主要表現(xiàn)為:相對(duì)論是定域性理論,而量子力學(xué)卻是非定域性理論.量子力學(xué)的非定域性是近十年來(lái)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)上最重要的進(jìn)展.量子力學(xué)的非定域性主要表現(xiàn)為一個(gè)十分奇特的現(xiàn)象--量子糾纏(entanglement),即在一個(gè)量子系統(tǒng)的兩個(gè)遠(yuǎn)距離部分之間的存在關(guān)聯(lián),而相對(duì)論則認(rèn)為是不可能存在這種關(guān)聯(lián)的.量子糾纏現(xiàn)象目前已經(jīng)得到貝爾定理和艾思貝克特實(shí)驗(yàn)的支持.(關(guān)于量子糾纏我們?cè)诒菊碌谖骞?jié)將較為詳細(xì)地介紹) 李政道不久前在復(fù)旦大學(xué)演講時(shí)說(shuō),也提到了物理科學(xué)所面臨的問(wèn)題.他認(rèn)為,當(dāng)代科學(xué)的大問(wèn)題,在宇宙學(xué)里有兩個(gè),一個(gè)是類星體,一個(gè)是暗物質(zhì);在粒子物理學(xué)里有兩個(gè),一個(gè)是對(duì)稱破缺,一個(gè)是看不見(jiàn)的夸克.若能了解這些問(wèn)題,將對(duì)21世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大作用. 李政道指出,類星體問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)能量機(jī)制問(wèn)題.天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn),新 星的亮度能在瞬間超出太陽(yáng)1-10萬(wàn)倍,超新星又比新星亮1-20萬(wàn)倍.然而,類星體更厲害,其亮度是1000個(gè)銀河系亮度的總和.自1961年發(fā)現(xiàn)類星體至今還不知道它的能量機(jī)制,只知道它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)核能.在1987年又發(fā)現(xiàn)類星體的亮度突然增加了一倍,其原因迄今尚不清楚.通過(guò)類星體問(wèn)題的研究,期待著找到比核能強(qiáng)大得多的能量機(jī)制.暗物質(zhì)問(wèn)題是關(guān)于物質(zhì)是否存在未知形態(tài)的問(wèn)題.天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系的星系群里有3/4的物質(zhì)是看不見(jiàn)的,用光學(xué),紅外,放射等手段都不能測(cè)算其能量.尋找暗物質(zhì)并觀測(cè)它的性質(zhì),將會(huì)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)乃至物質(zhì)本身有更深刻的認(rèn)識(shí). 粒子物理學(xué)中的對(duì)稱破缺問(wèn)題與未知的力有關(guān).粒子物理學(xué)中的許多理論,如量子色動(dòng)力學(xué),愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,都是源于對(duì)稱的.可是我們的世界又是不對(duì)稱的.這表明除了已經(jīng)知道的強(qiáng)力,電磁力,弱力和引力外可能存在未知的力,這個(gè)力是引起對(duì)稱破缺的原因.如果我們了解這個(gè)力,就有可能知道對(duì)稱破缺的機(jī)制,就能知道不對(duì)稱性的起源,進(jìn)而就有可能了解質(zhì)量(包括暗物質(zhì))的來(lái)源.夸克問(wèn)題既是物質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題也是能量機(jī)制問(wèn)題,按照粒子物理學(xué)的現(xiàn)有理論,所有的強(qiáng)子,核子都是由夸克構(gòu)成的,但是在實(shí)驗(yàn)上迄今未觀測(cè)到自由夸克.究竟有沒(méi)有夸克,把夸克結(jié)合成強(qiáng)子的能量機(jī)制是否特殊,這兩個(gè)問(wèn)題都是極為根本的問(wèn)題. 為了解決量子力學(xué)和相對(duì)論的協(xié)調(diào)問(wèn)題,相互作用的統(tǒng)一問(wèn)題和李政道談到的四大問(wèn)題,物理學(xué)界正在進(jìn)行著艱難的探索.其中被人們譽(yù)為" 從21世紀(jì)偶然地掉入20世紀(jì)的物理學(xué)"--M理論成為最大的熱門(mén). M理論是從10維超弦理論發(fā)展而來(lái)的,它至今還沒(méi)有確定的名稱.M是取Magic(魔術(shù)),Mystery(神秘), Marvel(驚奇), Membrane(膜), Martic(矩陣), Mother of all theories(萬(wàn)理之母)的第一個(gè)字母而來(lái). M理論認(rèn)為構(gòu)成我們世界的基本組元是具有超對(duì)稱性的超塊(brane或 nugget),超塊是既包含1維的弦,又包含2維的膜,還包含3維及高于3維的物質(zhì)實(shí)體.在M理論中時(shí)空是11維的,其中1維時(shí)間,10維空間.M理論的空間比現(xiàn)實(shí)空間的3維多了7維,多余的7維稱為額外空間.額外空間一般應(yīng)緊致化,緊致化后的空間其線度大小是普朗克長(zhǎng)度,所以我們觀測(cè)不到,所能觀測(cè)到的4維時(shí)空,正是我們的現(xiàn)實(shí)世界.M理論有一個(gè)特殊的性質(zhì)--對(duì)偶性,所謂對(duì)偶性是說(shuō)在M理論框架內(nèi),各種形式的超弦理論能給出同樣結(jié)果. 目前,M理論對(duì)于四個(gè)相互作用的統(tǒng)一已經(jīng)有了較為合理的說(shuō)明,對(duì)于宇宙起源問(wèn)題也提出了新的觀點(diǎn),形成了M理論宇宙學(xué),在M理論宇宙學(xué)中,把我們生活的膨脹3維空間宇宙作為在更高維的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的一個(gè)片或區(qū)域壁,而宇宙起源于量子真空. 二,復(fù)雜性科學(xué) 從自組織到超循環(huán) 普利高津的自組織理論創(chuàng)立于20世紀(jì)60年代.普利高津研究了遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng),指出這樣的系統(tǒng)在非線性相互作用的條件下(如漲落)將會(huì)從無(wú)序進(jìn)入有序而不違背熱力學(xué)第二定律,并把這樣的過(guò)程稱之為自組織.自組織是一種相變,表現(xiàn)具有耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),在向熵減發(fā)展的過(guò)程中,將進(jìn)入新的更加有序的穩(wěn)態(tài).這種有序度的增加對(duì)應(yīng)著信息的相對(duì)增多.自組織具有自創(chuàng)生,自生長(zhǎng),自進(jìn)化,自復(fù)制等類型.一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)(不管是力學(xué)的,物理的,化學(xué)的,生物的乃至社會(huì)的,經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)),通過(guò)不斷與外界交換物質(zhì)和能量,在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí),經(jīng)過(guò)漲落,系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變,由原來(lái)的混亂無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上,空間上或功能上的有序狀態(tài). 根據(jù)自組織理論可以很好地說(shuō)明生命體及地球等自然物體的如何保持有序.活的生物體是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),通過(guò)與外界不停地交換物質(zhì)和能量,從外界汲取取負(fù)熵,保持著它自組織的有序,保持著它旺盛的生命活力. 普里戈金的耗散結(jié)構(gòu)理論,不但為我們解開(kāi)了熱力學(xué)第二定律與生物進(jìn)化論不協(xié)調(diào)之迷,消除了自然界存在的自組織現(xiàn)象的懸念,而且為我們了解整個(gè)世界包括社會(huì)的復(fù)雜性打開(kāi)了通道. 圣達(dá)菲研究院的斯圖亞特·考夫曼認(rèn)為,只有依靠自組織理論才能真正理解生命現(xiàn)象.他在《宇宙為家》一書(shū)中寫(xiě)道:"我要說(shuō),在此之外,生命還有另一個(gè)源頭,那就是自組織;那才是有序狀態(tài)的根源.我終于有了這樣的信念:生物世界的秩序,不僅僅是零敲碎打的做出來(lái)的.那是由于自組織的那些原理自然,自發(fā)地生出來(lái)地.那些復(fù)雜性原理.我們才剛剛揭示出來(lái)并加以理解."(斯圖亞特·考夫曼,《宇宙為家》湖南科學(xué)技術(shù)出版社,序言,2003年) 德國(guó)科學(xué)家哈肯在普里戈金建立了自組織的耗散結(jié)構(gòu)理論之后不久,于1973年創(chuàng)立了協(xié)同學(xué).協(xié)同學(xué)認(rèn)為,在生命和非生命的開(kāi)放系統(tǒng)之內(nèi)的各個(gè)子系統(tǒng),當(dāng)它們處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的條件下時(shí),就會(huì)通過(guò)非線性的相互作用而產(chǎn)生協(xié)同作用和相干效應(yīng),在一定范圍內(nèi),通過(guò)漲落而達(dá)到一定的臨界點(diǎn),就可以通過(guò)自組織而使系統(tǒng)從無(wú)序到有序,使舊的結(jié)構(gòu)發(fā)展成為在時(shí)間,空間,性質(zhì),功能諸方面都發(fā)生根本變化的新結(jié)構(gòu).所以,可以認(rèn)為協(xié)同學(xué)是關(guān)于自組織的集體行為的科學(xué).協(xié)同學(xué)把一個(gè)復(fù)雜的自組織系統(tǒng)看作許多子系統(tǒng)形成的集體,自組織就是在耗散結(jié)構(gòu)條件下這些子系統(tǒng)協(xié)同作用的結(jié)果. 超循環(huán)理論是由德國(guó)科學(xué)家艾根(Manfred Eigen)于1970年提出的.艾根認(rèn)為生命信息的超源是一個(gè)采取超循環(huán)形式的分子自組織過(guò)程,他把生物化學(xué)中的循環(huán)現(xiàn)象分為不同的層次:第一個(gè)層次是轉(zhuǎn)化反應(yīng)循環(huán),在整體上它是個(gè)自我再生過(guò)程;第二個(gè)層次稱為催化反應(yīng)循環(huán),在整體上它是個(gè)自我復(fù)制過(guò)程;第三個(gè)層次就是所謂的超循環(huán)(hypercycle),超循環(huán)是指催化循環(huán)在功能上循環(huán)耦合聯(lián)系起來(lái)的循環(huán),即催化超循環(huán).實(shí)際上在超循環(huán)組織中,并不要求所有組元都起著自催化劑的作用,一般地說(shuō),只要此循環(huán)中有一個(gè)環(huán)節(jié)是自復(fù)制單元,此循環(huán)就能表現(xiàn)出超循環(huán)的特征.超循環(huán)的特征就是:不僅能自我再生,自我復(fù)制,而且還能自我選擇,自我優(yōu)化,從而向更高的有序狀態(tài)進(jìn)化. 超循環(huán)結(jié)構(gòu)演化的內(nèi)部因素主要來(lái)自兩個(gè)方面:首先是自復(fù)制單元在復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)的差錯(cuò),類似于基因突變;其次,超循環(huán)結(jié)構(gòu)是由多組元耦合成的多層次系統(tǒng),內(nèi)部存在復(fù)雜的非線性相互作用,在這種情況下,如混沌理論所指出的,內(nèi)在隨機(jī)性就會(huì)在很大程度上起作用,它給超循環(huán)結(jié)構(gòu)施加了另一個(gè)內(nèi)擾動(dòng).由此可見(jiàn),超循環(huán)結(jié)構(gòu)的演化,大體上與三個(gè)因素有關(guān):復(fù)制誤差,內(nèi)在隨機(jī)性和環(huán)境擾動(dòng). 超循環(huán)結(jié)構(gòu)只能在演化中存在.超循環(huán)結(jié)構(gòu)存在,進(jìn)化必需滿足三個(gè)前提條件:(1)以足夠大的負(fù)熵流推動(dòng)結(jié)構(gòu)的新陳代謝.(2)以足夠強(qiáng)的復(fù)制能力使系統(tǒng)信息得以積累,遺傳.(3)以組元間足夠強(qiáng)的功能耦合保證結(jié)構(gòu)的存在和發(fā)展.必須同時(shí)具備這三個(gè)條件,超循環(huán)結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在,發(fā)展進(jìn)化,否則,退化是不可避免的. 上述的復(fù)雜性理論主要探討復(fù)雜系統(tǒng)的形成機(jī)制,結(jié)構(gòu)和進(jìn)化,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究不多.20世紀(jì)60年代興起的混沌理論是關(guān)于非線性復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論.混沌理論中的混沌被界定為確定性非線性系統(tǒng)的有界的敏感初條件的非周期行為. 混沌理論起源于天氣系統(tǒng)的研究,混沌理論認(rèn)為天氣系統(tǒng)是對(duì)初始條件具有敏感依賴性的系統(tǒng),任何一處微小的變化都會(huì)使系統(tǒng)在隨后的發(fā)展中發(fā)生預(yù)想不到的變化.混沌理論的創(chuàng)始人之一,美國(guó)氣象學(xué)家洛倫茲把一個(gè)系統(tǒng)極端敏感地依賴于初始條件的狀況形象地比喻為蝴蝶效應(yīng).他說(shuō),一只蝴蝶在巴西扇動(dòng)翅膀,也許就是得克薩斯一場(chǎng)龍卷風(fēng)的起因.洛倫茲還認(rèn)為蝴蝶效應(yīng)不是偶然而是必然. 混沌理論是對(duì)決定論的又一次挑戰(zhàn).量子力學(xué)在微觀領(lǐng)域擯棄了拉普拉斯決定論,混沌理論則在我們熟悉的宏觀領(lǐng)域排除了拉普拉斯決定論的可預(yù)見(jiàn)性的狂想.現(xiàn)在我們知道,混沌無(wú)所不在.上升的煙柱破碎成繚亂的旋渦,在風(fēng)中前后飄揚(yáng)的旗幟,從水龍頭中滴出的從穩(wěn)定變成隨機(jī)式樣的水有混沌,在飛機(jī)的飛翔中,在高速公路上阻塞的汽車的行為中,甚至在金融過(guò)程中也有混沌.混沌是關(guān)于系統(tǒng)性質(zhì)的科學(xué),它打破了各門(mén)學(xué)科的界限,把人們從不同的學(xué)科領(lǐng)域帶到了一起.混沌已經(jīng)不僅僅是理論,而且是一種有效的方法,是處理復(fù)雜的,非線性的,非周期性系統(tǒng)的方法. 正如格萊克在他的著作《混沌:開(kāi)創(chuàng)新科學(xué)》中說(shuō):"混沌是這樣一種思想,它使所有科學(xué)家們信服大家都是同一個(gè)合資企業(yè)的成員.物理學(xué)家或生物學(xué)家或數(shù)學(xué)家,他們相信簡(jiǎn)單的決定論的系統(tǒng)可以滋生復(fù)雜性;相信對(duì)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜的系統(tǒng)仍然可能遵從簡(jiǎn)單規(guī)律;還有,不論他們的特殊領(lǐng)域如何,相信大家的任務(wù)都是去了解復(fù)雜性本身."(詹姆斯·格萊克,《混沌:開(kāi)創(chuàng)新科學(xué)》,上海譯文出版社,1990年,第321頁(yè)) 三,生命科學(xué) 分子生物學(xué)和關(guān)于生命本質(zhì)的探討 生命是什么 生和死的界限到底在哪里 這是一個(gè)自有人類以來(lái)就一直受其困擾的問(wèn)題.在今天,雖說(shuō)離最后的答案還有不小的距離,但是至少可以認(rèn)為,20世紀(jì)分子生物學(xué)的出現(xiàn),使這個(gè)問(wèn)題完全納入到現(xiàn)代科學(xué)的軌道上了.早在19世紀(jì),恩格斯根據(jù)當(dāng)時(shí)的科學(xué)認(rèn)識(shí),曾經(jīng)說(shuō)過(guò):"生命是蛋白體的存在方式,這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學(xué)組成部分的不斷自我更新."至于蛋白體是什么,這在當(dāng)時(shí)并不清楚,恩格斯本人對(duì)用"蛋白體"這個(gè)詞來(lái)代表生命的基元也不滿意,他認(rèn)為,科學(xué)的發(fā)展會(huì)給出更合理的名稱. 20世紀(jì)上半葉,終于發(fā)現(xiàn)了作為生命基元之一的蛋白質(zhì),隨后又發(fā)現(xiàn)了核酸.蛋白質(zhì)和核酸都是分子量很大的分子,所以,通常叫做生物大分子.1953年,澳森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA(脫氧核糖核酸)具有雙螺旋結(jié)構(gòu).從此,一門(mén)新的學(xué)科--分子生物學(xué)誕生了. 分子生物學(xué)的發(fā)展,使人們不但已經(jīng)能夠在分子水平上把握生物體的結(jié)構(gòu)以及與功能有關(guān)的內(nèi)部機(jī)制,如遺傳與變異,物質(zhì)代謝與能量代謝,生物體的調(diào)控等,而且有的生物大分子已能人工合成,有些生命過(guò)程可以在實(shí)驗(yàn)條件下再現(xiàn),化學(xué)反應(yīng)與生命活動(dòng)之間的鴻溝日益變小.因此有人認(rèn)為生命就是這些生物大分子的運(yùn)動(dòng).另外,病毒的發(fā)現(xiàn)也使生命與分子的界限出現(xiàn)了某種程度的模糊.因?yàn)橛械牟《?如口蹄疫病毒,比分子(如血紅蛋白分子)還小;還有一種類病毒,只有核酸,沒(méi)有蛋白質(zhì),比常見(jiàn)的病毒小幾十倍,攜帶的信息很少,只能編碼幾十個(gè)氨基酸,可是在寄主中也能繁殖.那么病毒是不是生命呢 生命科學(xué)中出現(xiàn)的這些新情況使部分生物學(xué)家覺(jué)得生和死,生物和死物之間的界限模糊了,要回答什么是生命這個(gè)問(wèn)題更困難了.例如,生物學(xué)家薩茲在他的《進(jìn)化生物學(xué)》一書(shū)中說(shuō):"試圖下個(gè)嚴(yán)格的生命定義不僅是無(wú)結(jié)果的,而且至少在目前是無(wú)意義的.";生物學(xué)家柯辛則在《生命起源》一書(shū)中說(shuō):"嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x--既既要包括一切活的物質(zhì)(過(guò)去的和現(xiàn)在的)以及排除一切非活的物質(zhì)--是不可能的." 在生命是什么這個(gè)問(wèn)題上,除生物學(xué)家傾注了巨大的努力外,物理學(xué)家,化學(xué)家也同樣給以了極大的關(guān)心.量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定格,在1944年出版了一本題為《生命是什么--活細(xì)胞的物理學(xué)觀》的小冊(cè)子,在這本不到100頁(yè)的書(shū)中,提出了一些極富啟迪的思想和概念,他說(shuō):"一個(gè)生命有機(jī)體要活著,唯一的辦法就是從環(huán)境中不斷地汲取負(fù)熵.",有機(jī)體是"依賴負(fù)熵為生的.或者更確切地說(shuō),新陳代謝中本質(zhì)的東西,乃是使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它活著時(shí)不得不產(chǎn)生的全部的熵."在這里,薛定格第一次引入了負(fù)熵的概念.按照熱力學(xué)第二定律,一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)向著增大的方向發(fā)展以至系統(tǒng)越來(lái)越無(wú)序,但是生命體卻是向著有組織,有序的方向發(fā)展的.薛定格正是抓住了生命的這一重要特征,把負(fù)熵和生命活動(dòng)連在了一起.系統(tǒng)論的創(chuàng)始人貝塔朗菲在《生命問(wèn)題》一書(shū)中稱:"一個(gè)活的有機(jī)體是個(gè)開(kāi)放的階序系統(tǒng),它借助于自身的條件,在交換成分中保持自身." 運(yùn)用現(xiàn)代物理及系統(tǒng)的思想研究生命現(xiàn)象有著深遠(yuǎn)的意義,是探索物理學(xué)與生物學(xué)統(tǒng)一的先驅(qū).事實(shí)上,澳森和克里克正是在讀了《生命是什么》后,才立志投身于分子生物學(xué)的研究.日本遺傳學(xué)家近藤原平把《生命是什么》這本書(shū)的出版看成是生物學(xué)界革命的象征. 當(dāng)然,把生命現(xiàn)象和生命運(yùn)動(dòng)完全還原為物理化學(xué)現(xiàn)象和物理化學(xué)運(yùn)動(dòng)是不足取的. 在生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)上,上節(jié)討論過(guò)的復(fù)雜性科學(xué)將提供新的說(shuō)明.圣達(dá)菲研究院的斯圖亞特·考夫曼在他的《宇宙為家》一書(shū)中寫(xiě)道:"簡(jiǎn)言之,裸RNA和裸核糖體多聚物假說(shuō),對(duì)于我們觀察到的所有自由細(xì)胞的最低限度復(fù)雜性沒(méi)有給出一個(gè)深刻的描述.我堅(jiān)持認(rèn)為,我在第三章里描述的有序起源的原理還是說(shuō)得通的.那個(gè)原理闡明,物質(zhì)為什么必須達(dá)到某一特定的復(fù)雜性水平才能一躍而成為活物.這個(gè)臨界值并不是隨機(jī)變異和自然選擇的事故;我堅(jiān)持認(rèn)為,它是生命本質(zhì)的題中應(yīng)有之義."(第55頁(yè)) 總之,在生命科學(xué)中運(yùn)用還原方法的同時(shí)必須考慮生命現(xiàn)象的復(fù)雜性.因?yàn)?生命現(xiàn)象和生命運(yùn)動(dòng)確實(shí)有其自己的特點(diǎn).首先,地球上的生命都是由核酸和蛋白質(zhì)大分子為基礎(chǔ)構(gòu)成的.核酸(DNA和RNA)在生命整體和個(gè)體的延續(xù)中起信息載體的作用,蛋白質(zhì)則起信息識(shí)別和功能表達(dá)的作用.其次,生命體總是不停地與環(huán)境發(fā)生著物質(zhì)和能量的交換,這種交換及產(chǎn)生這種交換的機(jī)制就是新陳代謝,而且,如果交換物質(zhì)和能量過(guò)程中得以降低自身的熵值(即從外界汲取負(fù)熵),生命就獲得肯定性的發(fā)展,反之為否定性發(fā)展.第三,生命體具有遺傳和變異的特性.第四,生命體是一個(gè)具有高度組織的開(kāi)放系統(tǒng),能接受并處理外界信息以及產(chǎn)生信息.第五,能自我調(diào)節(jié),對(duì)環(huán)境具有適應(yīng)性反應(yīng).最后,生命體是發(fā)生和死亡的統(tǒng)一,正是因?yàn)樯鼈€(gè)體有生有死,才有生命整體的永恒不絕. 這樣,關(guān)于生命本質(zhì)的目前認(rèn)識(shí)可歸結(jié)為:生命本質(zhì)上是一個(gè)由核酸和蛋白質(zhì)組合而成,具有自我更新能力的高度有序的對(duì)物質(zhì),能量,信息進(jìn)行加工,處理,貯存的復(fù)雜多分子體系,它有自我調(diào)節(jié),自我復(fù)制和對(duì)體內(nèi)外環(huán)境作出選擇性反應(yīng)的屬性. 意識(shí)的本質(zhì) 關(guān)于意識(shí)的本質(zhì)和對(duì)大腦的研究是生命科學(xué)中又一重要課題.大腦是產(chǎn)生意識(shí)的器官,意識(shí)的復(fù)雜性很大程度上是因?yàn)榇竽X的高度復(fù)雜性.人的大腦僅3-4磅重,但卻包含著大約1000億個(gè)神經(jīng)原,這是一個(gè)與銀河系中恒星總數(shù)在數(shù)量級(jí)上相同的天文數(shù)字.那么大腦的復(fù)雜性是否就因?yàn)橛兄绱硕嗟纳窠?jīng)原的緣故呢 當(dāng)然不是這樣.肝臟幾乎同樣有1000億個(gè)細(xì)胞,但是,再多的肝臟合在一起也不能替代大腦豐富多彩的生命活動(dòng).腦的高度復(fù)雜性部分原因在于組成大腦的神經(jīng)細(xì)胞的多樣性.神經(jīng)細(xì)胞分為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞.其中神經(jīng)元,按照形態(tài)的差異有大錐體細(xì)胞,小錐體細(xì)胞,顆粒細(xì)胞,短軸突神經(jīng)元及普頃野細(xì)胞等多種,按照其功能的不同又可區(qū)分為傳入神經(jīng)元,傳出神經(jīng)元和中間神經(jīng)元.神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞也有許多種類,如纖維星形膠質(zhì)細(xì)胞,原漿星狀膠質(zhì)細(xì)胞,小膠質(zhì)細(xì)胞,少突膠質(zhì)細(xì)胞和室管膜細(xì)胞等.對(duì)于神經(jīng)元來(lái)說(shuō),除了有不同的形態(tài)外還存在著分子的差異.而且,盡管所有的細(xì)胞都有相同的基因,但是在不同組織中的細(xì)胞對(duì)于基因的表達(dá)有不同的選擇,目前已在視網(wǎng)膜的無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞,小腦的普金基(Purkinje)氏細(xì)胞以及脊椎的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中見(jiàn)到了這類有選擇表達(dá)的基因.除了結(jié)構(gòu)和分子的差異外,神經(jīng)元還有輸入和投射的不同. 在研究神經(jīng)元的復(fù)雜性的同時(shí),還發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元具有同一性.同一性表現(xiàn)在功能相似的神經(jīng)元都集合成柱狀或板狀而穿過(guò)皮層并且所有的神經(jīng)元都以極為相似的方式傳導(dǎo)信息.信息沿著軸突以動(dòng)作電位的短促電脈沖形式在神