细胞起源的草图――关于人和宇宙的设想(5)

2017年5月15日

1,问题的提出

谈到细胞起源首先面对一个问题:线形分子生命是自己建造出细胞,还是作为“遗传物质”进入现成的没有遗传物质在内的细胞?

我们不妨假定线形分子生命作为“遗传物质”进入细胞产生了第一个细胞生命,然后进行第一次细胞分裂。在细胞内,父代线形分子生命经繁殖变为两个子代,子代已在细胞中,接下去细胞一分为二,这个过程必须配合子代在细胞内的活动过程,所以不可能完全由原来的细胞独立进行分裂,也就是说需要子代分子生命的参与,才能从一个细胞“房子”逐步把子代隔开,建成为两个细胞“房子”。而子代父代的线形分子生命结构相同,这就反证了,就是第一次进入细胞的那个线形分子生命也不可能一点没有建造细胞的功能。因此,本文设定:细胞是线形分子生命自己建造出来的。

造房子一般先要有一张草图,画出或至少虚拟一个房子的框架,然后准备材料、机械、电源之类交施工者开工建造。细胞起源就是建造第一个细胞房子,施工者是线形分子生命本身。它如何施工?框架搭在哪里?如何建造外壳?材料、机械、电源到底是哪些东西?特别地,这时线形分子生命的小分子与起源时的小分子有哪些变化?是否已经是DNA?等等,它们是解决细胞起源问题的关键所在,不是我们能够回答的问题。我们这里感兴趣的仅仅是,有没有办法想象一下细胞草图的样子?

房子的用途是提供给我们一个安全活动的场所,这也是基本的几何生存空间。房子当然不是造得越大越好,如果有一个我们恰好可以自由活动的空间,沿着这个空间周围建造边界自然是最简单最经济的事。这样的空间应该是一种最小活动空间,实际建筑时我们可以计算出来。但是线形分子生命必须通过生物学活动过程去实现。

作者在此要做一个说明。我们很多想法实际上是“倒回过去看” 问题的结果。比如我们知道基本的生物分子存在圆柱螺线线形结构,“倒回过去看”就是试图从圆柱螺线的几何性质“倒回过去”推想它们产生的原因,特别的一点是,如何开始的原因也就是起源的原因。但是这样做忽略了物理的化学的细节,实际上我们也不知道这些细节,没有细节就没有生物学,所以不可能用来解决具体的生物学问题。我们的希望是,在简单化的情况下也许能看到一些另外的东西。例如在序列文(4)“生命起源与进化的几何图景”中,我们看到,生命起源问题虽然困难,但是“倒回过去”推断,并非神秘到永不可解的地步。正如序列文(2) “世界可知的意义”所归述,假如人类是智慧生命的话(很多人的表现已令此言有疑问),这个世界应该是可知的,包括生命起源细胞起源在内。在这些系列文中,主要是讨论智慧生命在宇宙中的可能作用,从而引出这些曾经思考过的东西,记之供有兴趣者参考而已。

2,分子生物与生物分子

我们从现在到过去追溯生命的组织,组织越来越简单,追到线形分子就为止了,再追下去便是离散的单元分子。线形分子能延伸,也能在侧向形成新的线形分子,这些过程同“生长与繁殖”相像,并在此过程中形成一个封闭的集合。由此我们设定生命起源于线形分子世界。在序列文(3)“宇宙中第一个生命的形态”中,我们推导出第一个生命是圆柱螺线形态的线形分子,再简述一下:

线形分子生命可以设想是在一个虚拟的无限长的圆柱面管状区域G内起源的,管内沿圆柱面中心线J存在形成生命所需要的条件如物资能量等等,于是在J附近产生第一个线形分子生命,理论上形成一条无限长的分子生命线形,我们记之为L。

我们注意到,由L相对J做平移及旋转运动或两者的组合,形成与L有相同的相对于J的空间位置。在这些空间位置上,也同样可以产生生命,其中特別地包括与L能相互繁殖或者说是可以相互复制的线形L',L'可以与L同时产生,L'同样也有资格作为第一个线形分子生命。

如果可以相互复制的线形多于两个,由于存在第三者影响,所有线形不可能保持一致的形态,失去繁殖的意义, 所以不可能存在。至于其它更为复杂的复制,即使出现过也被淘汰了。

生命一诞生就有适应性问题。第一个生命的出现正是与外界物理化学环境互动的结果,所以适应物理化学环境没有问题。对外界生物环境的适应,初始生命群体作为唯一的生命群体,适应性就是自适性。其中之一非常简单,就是线形分子生命在几何形态上必须有协调性,不可互相影响生存。这就归结为一个数学问题,从而推导出L是圆柱螺线形态的线形分子。

前面说过,生命起源需要小分子等物质基础,基础不同产生不同的生命路线,但是任何一条路线上的生命都必须起源于上述合二为一的过程:两条能够生长并可以相互复制的圆柱螺线线形分子组成一个整体,即由相位相差半个圆周的L与L'组成的线形对LL'组成一个稳定的生命体。

线形对里面的圆柱螺线形态也可能在线形延伸或衍生后不再保持下去,那么发生在这条路线上的生命就又变成非生命了。最后只有一条路线上的圆柱螺线线形分子生命发展出细胞生命,从生命非生命界限模糊的线形分子海洋进入到生命非生命对比分明的细胞世界。

L或L'线形纵向上分子间的结合力大于两条线形侧向形成衍生的结合力,所以在自由碰撞运动中,LL'分离为L与L'的可能性大于L或L'线形断开的可能性,几何上也可以看出,圆柱螺线的形态的L与L'只要线形伸展趋于平直,或部分或整条很容易分离。分离后通过繁殖产生新的线形,开始了一代又一代的一分为二过程来扩大生命群体。在线形分子生命初始的短段时期主要靠此种随机方式分离繁殖,效率很低,然后到长段时期渐渐发展出由LL'引导的生物学过程从随机分离繁殖演变为自行分离繁殖。

分离后的L或L'只能作为生命体的构成部分存在,相当于一种生物分子,是不稳定的,如果不能很快复制并组成稳定的整体生命则有可能被解体。我们在讨论时方便地统称L或L'为生命,实际上可以把它们看作是生命与非生命也就是分子生物与生物分子的交点之物。显然,迅速复制可以减少解体的可能性,从而增加生命群体的数量。LL'分离后,越迅速复制越好,立即复制即边分离边复制是最安全的途径。半复制就是一种立即复制。我们不妨假定,在细胞出现前,线形分子生命已经发展出半复制之类的立即繁殖方式。

3,细胞起源的草图

在线形分子生命初期, LL'分离及复制的繁殖过程主要靠随机碰撞进行,这时LL'没有利用环境的能力,完全处于被动状态,不存在所谓的小环境。随着LL'群体的进化,LL'线形变长,通过小分子序列引发的物理化学活动也可以说是生物学活动过程开始利用环境中事物为繁殖服务。因为是LL'主导的,即使LL'的位置移动或受到干扰也能重新展开活动,所以这些邻近LL'的活动看上去可以跟随LL'一起运动,这个活动的空间就形成LL'的一个小环境。有一点要注意,一般来说环境的空间是固定不动的,但是小环境是指LL'主导的活动内容所需要的空间大小,是可以被LL'携带的,活动内容也不是刚性的可以伸缩,所以也没有确定的边界。因为活动都贴近LL'进行,小环境体积实际很小,我们任取一个包含线形LL'的球,球的空间都会大于小环境需要的体积,也就是说小环境的活动内容都能塞进球内,其中包括最小的包含LL'的球,下面将看到这个球的生物学意义。

小环境对于LL'的主要功用是为繁殖准备好条件,包括物资、能量等等。LL'与小环境中事物的互动对于LL'来说也是一种外界作用,线形分子生命的圆柱螺线形态在外界作用下会变形,小分子位置随之移动,但是小分子间的连接关系不会变化。 因为所有活动都是LL'主导的,小环境中产生的外界作用应该不会大到影响LL'的复制,如果作用减弱或在一个活动间歇期内,所有线形又恢复直线走向的圆柱螺线形态。因此,在小环境中LL'的空间走向不一定沿着直线。

LL'有了小环境后就开始了细胞起源的过程,这个过程自然一直伴随着LL'的进化。小环境虽然可携带但很容易受外界干扰,例如LL'被碰撞到新的地方就要重新工作。现在,我们设想:在一个“水池”中,LL'的小分子序列偶然引发一个过程,在小环境外围生成一个小悬浮物,因为只有一个点,阻挡外界干扰的作用极小,可以忽略不计,但对LL'的群体来说,多个个体都有一个悬浮物边界,或许会有一些微效应,至少对群体的生存无害,这样,这个产生悬浮物的过程就可能继承下去不会消失。可以生成第一个就可能生成第二个,第三个等等,悬浮物的作用仍然感觉不到,但是,如此不断继续下去,比如到数十个数百个时开始感觉到一些效应了,可以阻挡一些外界干扰, LL'的繁殖效率提高,群体数量增加。从此开始一个正反馈过程,更多的繁殖生成更多悬浮物,更多悬浮物又使繁殖得更有效率 ,这些悬浮物的化学特性使之相互聚合形成面状物,直到悬浮物连成一个闭曲面网络把小环境包含在内,我们把这个悬浮物边界记为S 。

在一个能产生LL'的大环境中,当然也能产生LL'群体中其它成员个体。我们不妨假定它们都出现在这个“水池”中,群体的个体在“水池”中相互接触与碰撞,不可避免地引起悬浮物边界的变形。

LL'群体要发展成细胞生命,必须适应外界环境。走到这一步正是与外界物理化学环境互动的结果,物理化学环境方面自然没有不适应的问题。剩下是对外界生物环境的适应,这本是一个复杂的问题,然而对于第一代细胞生命,这个问题变得简单,就是LL'的群体必须满足自适性,所有个体的生存不可损害到其它个体的生存,特别地,所有个体在占有或扩大几何生存空间时,不可损害其它个体的几何生存空间。

悬浮物边界S所围区域,现在对于LL'有了进一步的意义。在原来没有悬浮物的情况下,当LL'在“水池” 中自由运动,移到一个新位置时虽然可以重建小环境,但是旧位置的小环境内容可能消解在外界环境中。现在有了悬浮物边界,情况发生改变,因为有边界的隔离,LL'旧位置的小环境内容将保留在S内,边界结构及性能越好保留得越多,S内区域实际上替代了原来的小环境,成为LL'安全可靠的并且可以发展新的生物学功能的生存空间。

我们来观察“水池”中的情形。一方面,从个体LL'出发,它在S内的自由运动及其引发的活动内容可以推动展开悬浮物,从而扩张S的边界,扩大它的几何生存空间。另一方面,外界与LL'接触的其它个体也在做同样的运动以扩张边界,对于LL',这就是沿所有空间方向来压缩LL'的几何生存空间,这是个体与群体的抗衡,所以对LL'来说,压缩大于扩张。

上述自适性互动的结果,第一,由于所有运动都没有空间方向的特异性,LL'的悬浮物边界随时动态平衡于一个球面,这个变化中的曲面,我们记之为S'。第二,LL'在S'内运动的同时S'自己也在收缩,S'与LL'都在变化之中。不断缩小的S'最后会与LL'相交,但是这个状态不一定是可以停止互动的稳定点,因为S'与LL'有不同的相交可能,每个相交状态都形成一个球面,所有球面形成一个球面集合,直到S'与LL'相交于球面集合中的最小球面s时,取得动态平衡的稳定点,因为S'再收缩下去就不再包含LL',这种情况下LL'将失去生存空间了。

LL'是群体的一个代表,因此,所有个体 的悬浮物边界同样都为s。如果LL'小分子序列产生的过程将悬浮物生成于s的位置,显然是最有利于LL'群体生存的过程,因为它满足最基本的自适性。这个过程将继承下去并在群体中普遍化,直到LL'小分子序列具有功能产生细胞膜为s的细胞,至此,细胞生命正式诞生。

已知s是包含LL'的最小球面,我们来求s与LL'的关系。我们做一个包含LL'的球s':设a、b是LL'两条线形上所有点中相距最远的两点(a、b的距离也称为LL'的直径),我们以a、b的连线为直径作球s'。显然,s'包含LL'在内。假定有比s'更小的球s〃包含LL',则s〃的直径必定小于s'的直径,于是s〃无法完全包含a、b的连线,因此也不可能包含LL',这就反证了s'就是包含LL'的最小球。因此,s就是以LL'两条线形上点集中相距最远的两点连线为直径做成的球。s实际上就是前面提到过的最小活动空间。

可以看到,s尺度与LL'的形态有关,当它取直线走向时s达到最大。LL'虽然在细胞里不一定是直线走向,但是只要有直线走向的时候,就决定了LL'应该得到最大的s,这意味着LL'拥有的是最大的最小活动空间。用这样的草图造房子,相当于是用最经济的办法造出最大的房子。

细胞一旦起源,因为LL'小分子序列都有功能产生细胞膜为s的细胞,当LL'分离并立即复制,从一个LL'变为两个LL'后,正如在细胞起源过程中自适性所展示的图景那样,这两个LL'都自动并互相协调地产生自己的细胞,细胞分裂现象就自然而然地出现了。

我们设想的草图是否有生物学根据可以质疑可以讨论。但至少表明,如同生命起源一样,细胞起源也是可以想象,可以思考,最终是可知的。(2017年5月6日)

生命起源与进化的几何图景——关于人和宇宙的设想(4)

2015年8月31日

1. 生命诞生前的准备

我们在前面讨论了宇宙中第一个分子生命(分子生物)的几何形态问题。我们想象从现在到过去追溯生命的组织,组织越来越简单,追到线形分子就到底了,因为再追下去便只有无组织的单元分子或者说小分子。线形分子可以通过两端连接分子或中间嵌入分子延伸长度并始终保持线形分子的形态,也可以在侧向耦合外界分子使之串连生成新的线形分子。我们以下将述及,对于第一个分子生命,小分子在侧向不能耦合同一种小分子,侧向耦合是在不同种类小分子之间一对一对应进行的,所以经过两次耦合可以“复制”线形。这些过程同生长与繁殖相像,因此,可以推断最早的生命是从线形分子集合中产生的。

我们把结构并不简单的小分子视为点,把小分子键接的框架视为连续的曲线,忽略小分子的特性及键接的化学关系,虽然远离了现实但也可能发现一些诸如圆柱螺线之类有趣的图形,也许对最终解决生命起源问题有所帮助。

最早的线形分子生命与之后的生命一样,被繁殖者总是保留繁殖者的一些特定结构以延续生命群体,特定的结构现在就是线形上小分子的串接状况,这自然使线形展示出某种特定的几何形态。我们 引入三要素L-J-G描述第一个生命誕生的过程:

L是分子生命的线形,具有“可延伸的对称性”,

J是外界的直线作用,

G是外界有效作用区域,

另外加上第一次出现生命时对单一生命环境的适应性也就是自适性,推导出第一个分子生命的形态是右旋的或左旋的圆柱螺线线形。

最早生命生长繁殖时必须保持圆柱螺线线形形态,因此,最早生命本身应具有圆柱螺线线形的化学结构,也就是说存在一些特殊的小分子,它们相互串接成圆柱螺线框架。最早生命的圆柱螺线框架在外界的作用下也会变形,但是一旦进行生长繁殖,它将恢复圆柱螺线框架结构。

我们再次进行想象中的追溯,从如今生物世界不计其数的生命功能逆进化历史追溯,那些由进化产生的功能,大如鸟类的飞行小如DNA摺叠机制等等,陆续在追溯中消失。因此生命功能的数量在趋势上是递降的,但是存在一个最小值,再减少下去生命就不能展开进化了。这个最小值是什么?就是生命进化至少需要的生物功能。我们知道,进化是生长的生命通过繁殖造成的生物性状变化,因此生命只要能生长繁殖,在与外界环境的互动之下就可能展开进化了。

与此平行,追溯的最后阶段也进入线形分子世界。如果在线形分子世界中追到最后的这么一条线形分子,它自身可延伸并且能在侧向衍生出相互适应的同型的圆柱螺线线形分子,延伸与衍生刚好形成生命进化所需要的生长繁殖,再追下去就没有这样的现象了,那么,这条线形分子正是追溯的终极目标:现在的生物世界之最早生命。

我们于是得到一个结论:在线形分子世界中,最早的生命或者说第一个生命是一条能生长繁殖的圆柱螺线线形分子,反之,第一条能生长繁殖的圆柱螺线线形分子也是第一个生命。第一个生命与第一条能生长繁殖的圆柱螺线线形分子是等价的,互为充分必要条件。我们下面将根据这条结论推得生命起源时的线形。

圆柱螺线线形可以说是从非生命世界进入生命世界、从物理化学世界进入生物世界的过渡通道,而那些能形成圆柱螺线线形的主角小分子们,则如同通道中的流水,最终汇聚成生命的源头。

我们在前面设想过RNA或DNA与最早生命的关系,它们可能由最早生命演变而来也可能其中部分结构就是最早生命,因为最早生命在生长繁殖时要保持圆柱螺线框架,所以这个框架是不变的,因此,即使小分子的分子组成可能有变化,但是这个变化不能影响圆柱螺线框架。这样我们就得到一个推论,最早生命是右旋的圆柱螺线线形分子, RNA、DNA遗传下来的右旋就是证明。

第二个推论,关于小分子的种类数,我们讨论一下。两个小分子在侧向耦合需要双方化学键活动性的互补,同种小分子无法互补,只有不同种的小分子可能做到。这样,在不同的小分子之间一对一对应进行耦合或者说繁殖,做两次才能完成“复制”。至于比一对一更复杂的对应,可以设想,即使有过因为“复制”麻烦也已经被淘汰了。

最早分子生命在侧向不能耦合同一种小分子还有一个理论上的理由,假如小分子可以耦合同种小分子,这些小分子形成的线形在侧向耦合同种小分子后衍生出一条线形,因为两边小分子完全对称,线形必然取直线形态,这就与最早生命由于自适性必须取圆柱螺线形态矛盾。

第三个推论,我们再指出一点,对于能形成圆柱螺线线形的小分子,它们纵向键的化学活动性都是相同的,这意味着无论同种不同种,小分子在纵向相互都能进行串接。

二、三推论综合起来可以得到一个结果,形成最早生命的小分子种类必是偶数。RNA、DNA有四种小分子,由两对一对一对应的小分子组成,那么最早生命有多少种小分子?一种情况是,最早生命一开始有两种互相对应的小分子,之后又增加两种互相对应的小分子,最终稳定为四种小分子直到进入细胞。另外,最早生命也不可能有多于四种的小分子,为什么?如果多出一对a、a*或更多对,因为现在的四种小分子生命里不含有a、a*,而我们追溯中看到的都是在之前看到过的,开头没有a、a*,以后也不会有。那些包含a、a*的生命即使有过也被进化淘汰了,与现在的生命无关。所以,最早生命初始时要么是由四种要么是由两种小分子形成的线形。

圆柱螺线实际上在我们生活中是经常看到的线形,例如圆柱螺线形状的弹簧,抗形变、稳定性好,又如散热管道做成圆柱螺线形状,这样与环境接触最有效。圆柱螺线线形的这些特性自然对生命的生存有利。我们下面将进一步看到圆柱螺线的其它特性,为最早生命的进化创造了不可替代的平台。

我们提一个问题,有没有最适合生长繁殖的形态?假定存在一个最适合生长繁殖的形态,记为L,我们来求解L。为此应用微分几何关于曲线的理论,微分几何中用两个参数完全地描述了空间曲线的形态,一个是曲率k,表述曲线偏离直线的程度,另一个是挠率τ,表述空间曲线偏离平面曲线的程度。根据微分几何曲线理论的基本定理,k与τ将确定出唯一的空间曲线。首先,因为存在一个最适合生长繁殖的形态,L具此形态意味着L的每一点局部也应该具有这样一个最适合生长繁殖的形态,而每一点都取一个形态又意味着它们都有相同的形态,这就表示L上所有点的k与τ都相等,从而推得k、τ沿曲线为两个常数。根据曲线理论基本定理,k与τ沿曲线取常数的线形只能是圆或直线或圆柱螺线,舍去不合自适性的圆及直线,最后剩下圆柱螺线线形一种,τ>0时为右旋螺线,τ<0时为左旋螺线。这个解是有意义的,因为我们已推导出线形分子生命在生长繁殖过程中必取圆柱螺线线形。重要的一点是,最适合生长繁殖的线形只有圆柱螺线线形一种也表明我们前面在寻找第一个分子生命的过程中所做的思考没有矛盾或遗漏之处。

上述证明的关键是存在一个特定形态例如最适合生长繁殖的形态,它适用于线形上每一点即每一点的局部,而每一点形态相同的线形根据微分几何理论除圆及直线外只有圆柱螺线线形一种。但是这种数学上的证明有无意义要看实际情况。比如也可以假定存在一个最不适合生长繁殖的形态,求解它,形式上同样也能解得圆柱螺线线形,然而这个数学上的解就应该舍弃,因为我们已知线形分子生命在生长繁殖过程中必须取圆柱螺线线形,所以这个数学解不符合实际情况,没有意义。但是,如果假定存在一个最稳定的线形形态或者一个与环境接触得最好的形态,我们同样能推得圆柱螺线线形的结果,这两个解却很有意义,因为它们符合实际情况。稳定意味着一旦产生存在的时间比较长久,与环境接触好意味着能得到较多的碰撞机会。

更有意义的是,圆柱螺线线形的每一点形态同一,使得线形表现出特别的组织特性。如果把一条圆柱螺线任意分割为一些点与段,然后再重组,我们这时无论怎样取点或段,也无论按何种顺序连接,其结果都能连成原来的圆柱螺线线形。如果我们动动手,把圆柱面沿一条直母线剪开展成平面,圆柱面上的圆柱螺线就变成平面上的直线,则这样的组织特性显然可见。第一个生命由小分子随机连成,一出现即与环境接触,进化不可避免,生命必须在生长繁殖的基础上还要有变异才能通过进化。圆柱螺线线形既提供了小分子序列变化的平台又保证了这种变化不影响生长繁殖,是唯一符合这个需要的线形。

而且,小分子的序列样式也是圆柱螺线线形上唯一可变的东西,我们可以想象,不同序列式样的化学活动方式可以不同,如果某一序列的化学活动能与环境的化学世界发生特别的作用,与最邻近的环境形成一个共生体小环境,然后与此外的大环境接触,使生长繁殖更好更有效,那么这个特别的序列就会遗传下去并在生命群体中普遍化,这个小环境共生体也可能随之演变深化。至于什么序列样式有优势则由进化选择。

2. 生命的起源与进化

我们约定一些记号,L(1)表示小分子,L(2) 表示两个小分子的圆柱螺线线形,有时也表示两个小分子的圆柱螺线线形分子生命,L(3),L(4)等等类推。设在适当的条件下两个L(1)随机相遇的概率为p,p是一个小量,不妨假定p<<1/2即远小于1/2,假定相遇即连成L(2),故由小分子连成L(2)的概率就是p,小分子随机相遇连成L(3)的概率是p^2(p的2次方),连成L(4)的是p^3,以此类推直到任意正整数n 的L(n)的随机连成概率是p^n,可见由小分子随机相遇连成线形的可能性随着长度增加按几何级数速度衰减。稳定性也与线形长度有关,长度越长,越容易与外界分子碰撞断裂,自然稳定性越低。因此,在生命之初形成并稳定存在的多是较短的段,最多的是L(2)。

现在,我们可以描绘一下生命起源的图景了。有了第一个生命与第一条能生长繁殖的圆柱螺线线形分子的等价性,这个问题就变得很简单。我们已经知道,第一个可延伸可衍生的圆柱螺线线形的出现标记着生命的起源。我们看到,小分子随机碰撞中产生机会最多的正是最简单的圆柱螺线线形L(2)。这时,如果第一次出现两个小分子a与b连成的线形L:

a-b,

而且a-b在侧向分别耦合了小分子c与d,c与d连成圆柱螺线线形L':

c-d,

那么,生命正在这一时刻起源。在此前夕,小分子a、b、c、d等等分布在一条直线附近,促进小分子化学活动的能量包括催化剂在内沿着直线分布,形成一个“试管”区域,可能是海洋底火山喷出的一道热流也可能是一条照射在水溶液中的太阳光线,因为阳光是地球的最大能源,或许后者机会更多一些,就在一瞬间,“试管”中发生上述的串接与衍生,诞生出地球上第一个生命。

我们以前论及,第一个生命L(2)与被繁殖的L'(2)是等价的,在一个能生成L(2)的环境中同样能生成L'(2),而且两者可以同时生成。L(2)耦合L'(2)的过程从小分子随机相遇连接过程上看,概率约为p^4,如果考虑到连接可以同时进行,概率增为p^2,这很有意义,因为这意味着生命起源的困难性并不大于自然界中一个复杂化学分子例如4种小分子的生成。

我们可以进一步设想,四种小分子同时生成的可能性不大,不妨假定出现的先后次序为a,c,b,d,生成后均匀地分布在某一环境中。这时,最先形成的圆柱螺线线形框架为a-a,a-a-a,…,清一色a,然后依次形成c-c,c-c-c,…,b-b,b-b-b,…,d-d,d-d-d,…,都是清一色的。因为a仅能耦合c,a与c相遇自然导致a-a耦合c-c,于是就起源第一个生命。当然c也可能最后出现,那第一个生命也可能是b-b与d-d。无论如何,最早生命的圆柱螺线线形一开始仅由两种小分子组成的可能性最大。四种小分子中只要对应的两种小分子先生成,就能引发生命起源。我们看到,小分子生成问题是生命起源的关键。

生命一旦出现,通过繁殖不断“复制”自己,以生命a-a为例,繁殖c-c,c-c又繁殖a-a,反复进行就产生无数的a-a或c-c,达到相当数量后便成为一个稳定的生命体。当a与c相遇时当然也很快出现生命a-c与c-a以及由a、c形成的更长的各种可能排列的圆柱螺线线形分子生命。

生命起源后,在环境中既有单元小分子又出现小分子组成的圆柱螺线线形分子生命。数量最多的是2个小分子生命的集合{L(2)},然后依次为{L(3)},{L(4)},……,{L(n)},……,n越大生命数量越少,形成稳定生命体的可能性也越小,这些稳定的生命体集合又形成一个大集合S,S中的元素也可能再连接形成分子生命。在小分子种类四种的情况下,L(2)与L(3)已可以组成任何序列样式的线形。这些线形可能成为S的新元素,使S不断扩大,正是在这个最早生命的大集合中展开了生命的进化。

现在,我们做最后一次追溯,假定在零时刻开始从第一个进入细胞的圆柱螺线线形分子生命,仍记为L,不妨假定L具有101到2001个小分子,往生命起源方向追溯。

追溯一开始看到什么,是否会看到线形一下子全部同时分离为一个个小分子?假如这样,就意味着原本是成百上千个小分子随机相遇一下子连成了这条圆柱螺线线形分子生命。这个概率为p^2000到p^100,意味着至多在2^100次中仅有一次机会,即便每秒或每纳秒进行一次连接,所需时间也远远超过宇宙的年龄,这样一种极微概率可视为事实上不可能。因此,我们看到的应是这条圆柱螺线线形分离成为数不多的几条较短的线形生命。显然,最大的可能是线形一分为二,即原本是由两条线形连接起整条圆柱螺线线形,然后是一分为三,一分为四等。继续追溯所有分离的线形,每一条线形都可能再分离成若干较短的线形,如此反复进行,直到所有线形仅由两个小分子组成为止,那个最后一步追到的两个小分子的线形就是第一个生命。因为在分离过程中所有出现过的线形数量是有限的,我们可以按照分离时间及连接关系把它们全部记录下来。

如果把上述追溯路径反过来,自然就是最早生命进化到进入细胞前的过程。为此,我们先看一下圆柱螺线线形如何由短段随机连成长段。各种小分子的随机连接概率一般是不同的,为简单起见,如前假定任何两个单元分子的随机连接概率都为p,这样,3个小分子同时连接的概率就为p^2。生命起源后,还有另外一种连接策略,两个小分子a、b随机连接成分子生命a-b,a-b通过繁殖形成一定数量及分布的生命体,这时a-b与小分子一样可作为单元的元素参与随机连接,这时连接一个小分子c组成3分子生命a-b-c的概率不再是p^2而约为p。这个连接策略可以推广到更多小分子的情形,例如由a-b-…-c-与d连接成a-b-…-c-d或者a-…-b与c-…-d连接成a-…-b-c-…-d,这是一种用繁殖布网捕捉机会,以时间积累等待小概率机会发生的策略。但是当线形越来越长时这种䇿略会失效,因为线形越长,繁殖过程也越长,稳定性越差等等使之难以形成稳定的生命体。

这时有一种情况例外,如果一条长段线形具有特别的繁殖能力,足以抵消长度的负面因素,使生命达到一定数量而成为比较稳定的生命体。这个例外当然恰好存在,否则不会有现在的生物世界。这显然是线形上特别的小分子序列产生的作用,因为小分子排列顺序是圆柱螺线线形上唯一可变异的东西。再者,如果某条长段有特别的繁殖功能,那么,其生存能力要比线形中任何部分段的生存能力更大。这是因为,假如m+n个小分子的长段L(m+n)生存能力小于短段L(m)或L(n)的生存能力,则L(m+n)迟早会退化为L(m)或L(n)。这里的生物背景应该是较多的小分子可以形成更复杂的序列式样从而在整体上产生更好的繁殖能力。

我们看一个设想的例子。线形的优势主要表现在繁殖效能上,而繁殖实际上是一个局部的活动。比如线形L:

…-x-y-z-w-…

式中x、y、z、w表示未知的小分子,繁殖出线形L':

…-y-x-w-z-…,

我们看到,L上小分子y耦合x时仅与L上x、z及耦合线形L'上x有关,是局部的化学活动,假如x-y-z 是优势序列,那么,假如L每点局部都取此优势序列式样,则表示每一点都是y特别是x、z也是y,从而L为一条只有一种小分子的线形,这就变成无变化可能也等同无优势来源的序列式样,与L是优势序列矛盾。实际上我们也可以这么想,如果存在一种优势的局部序列,所有局部序列取此优势不就意味着取同一局部序列样式?

这个例子无非说明,虽然我们不知道具体的物理化学过程,但可以推断序列的优势不是分散表达而是来自线形全体小分子与连通小环境的互动,是一种整体优势。而局部的繁殖活动是在整体协调之下不再完全依靠局部性的随机过程取得优势。

可以想象,最早生命一开始完全依靠随机碰撞进行繁殖,最后进入细胞,在准备好的化学小世界内自主繁殖而把随机活动的大环境置于细胞之外。在这个漫长的中间过程中,正如前面推想过的,如果线形上小分子序列在紧邻的化学小环境内引发某种过程,只要能稍微帮助线形繁殖,就会形成一种共生系统,使线形与小环境在繁殖中一起保存、延续并演化下去。在细胞淘汰线形分子生命之前,一般来说,这种有优势序列的线形越长,化学小环境的空间越大,生存优势也就越大。特别当两个优势序列串连成更长的优势序列后,这个更长的圆柱螺线线形分子生命将比以前的生命更适应环境。

我们打开追溯记录,取出那些含有追溯终点的第一个生命的线形。假定从追溯开始到结束有M条线形从含有第一个生命的线形分离出去,第一次分离出的线形记为L(t(1)),之后依次记为L(t(2)),……,L(t(n)),……,L(t(M)),t(n)表示第n次分离的时刻,所有L(t(n))都是各自独立进化的生命体中的生命。在 t(M)时刻追溯到第一个两个小分子连成的线形分子生命,所以t(M)也是第一个生命进化到进入细胞所需的时间。过程中如果有同时分离的线形可以任意排序,因此也可以把情况简化,假定总是一分为二,每次仅分离出一条,这样做不影响事件概率的数量级,不影响我们最后的结论。追溯终点的第一个生命线形记为L(2),显然,最后与L(2)分离的那条L(t(M))要么是单个小分子,要么是也有同样资格作为第一个生命的两个小分子连成的线形分子生命。

现在,如果我们从追溯终点的第一个生命回过头顺时间流向重现原本的历史,恢复每一次线形的连接,直到第一个进入细胞的圆柱螺线线形分子生命L,就会看到一幅图景。因为追溯过程是逆着时间流向,回到正常时间流向是:

t(M)=>t(M-1)=>……=>t(0),

因此,最早生命的进化可以表示为如下的级数演变过程,在演变中级数的项数每次递增一项:

L(2)=>

L(2)+L(t(M))=>

L(2)+L(t(M))+L(t(M-1))=>

……=>

L(2)+L(t(M))+……+L(t(1))=>

L(2)+L(t(M))+……+L(t(1))+L(t(0)),

L(2)+L(t(M))+……+L(t(1))+L(t(0))=L

正是第一个进入细胞的圆柱螺线线形分子生命。这是一幅几何图景,展示出进化就是在圆柱螺线线形框架上不断加上新的圆柱螺线线形,一节一节依次生长。前面部分的级数,它们的项是由随机碰撞连成的较短线形,各自形成生命体,生命体的生命数量隨线形长度増加而减少,直到不足以形成一个稳定的生命体。但是也就是在这个进程之中出现了优势序列线形,从而使级数的项从随机相遇连接的线形过渡到优势序列线形,从随机幸运儿的短段过渡到展示特别生物功能的长段。

生命起源后所有生命体都是圆柱螺线线形分子生命通过类似的递增级数进化成的,有的投身于上述那个进入细胞的伟大进程,那些没有加入的生命体即使存在过至迟在细胞出现后便消亡了。所有这些递增级数式过程的集合构成了一幅生命起源时期的几何进化全景图。

我们从进化的图景获得一个启示,作者用来结束本文再恰当不过了。我们从几何图景中看到,每次随机生长出新线形的概率虽然很小,但因为是在两端一节一节叠上去,做线形加法,即使2000节、每节等待机会十万年,也不过两亿年。因此,生命在地球上出现并进化到细胞,不是什么神秘到不可想象之事。作为宇宙中最重要现象的生命起源,是可知的,是我们未来一定能够解决的问题。(2015.08.07)

宇宙中第一个生命的形态——关于人和宇宙的设想(3)

2014年1月29日

1. 引言

我们从前面的讨论中看到,一个“可知”的宇宙与一个生存其中的“能知”的智慧生命将可能形成一个共生再生的整体。这种互利的机制显然会在宇宙的反复运动中普遍化,使得相当数目的可知宇宙看上去在其中几乎是必然地发生生命从而导致智慧生命的出现。生命特别是智慧生命的出现应该是可知宇宙中第一重要的现象,第一伟大的事件,它将宇宙突变成为一个有趣的透明的活的宇宙。

那么,回到我们所在的这个宇宙。它是否可知?而我们人类又是否能知?这个宇宙是不是一个“透明活宇宙”?

这得找到证据。一个证明途径是,如果人类未来最终能解决上面提到的那个宇宙中第一重要的问题:生命起源问题,完全搞清楚生命是如何必然地在我们这个宇宙中发生进而导致人类出现,那当然就在最根本的意义上显示出宇宙的可知以及人类的能知。如果在此过程中又发现所发生的生命形式内容与地球上生命的形式内容相同,那自然就形成一个证据。

虽然我们不知道要多久才能等到证据,但作者相信最后是一个好结果。作者很多年前考虑过这样的问题:遥远的未来会搞清楚第一个生命从宇宙中何处出现,但不管在哪里发生,我们现在可能看到什么?即便是一些模糊的影子。这也许与上述问题有点关系,作者在此把有关想法整理出来,供感兴趣的人参考及修正。

2. 问题

最早生命或者说第一个生命是如何起源的,又是什么形态或形状?不失讨论的一般性,我们暂且假定第一个生命是从地球上发生的,虽然我们只能观察地球的现象与引用地球上的条件,但这并不影响我们感兴趣的结果。按照RNA世界学说,RNA可能是最早的生命,这蕴涵着这样的图景,最早的生命形态是线形分子即两个以上分子串联成的大分子。线形分子在几何上仅是一条空间曲线,从而形成最简单的组织。

我们也可以独立地从最基本的东西考虑起,我们想象从现在到过去观察生命历经的分子组织,所出现的组织在趋势上是越来越简单,我们最后看到什么?自然是线形分子,虽然现在不能确定最后看到的是否就是RNA分子,但必定线形分子无疑,因为再追溯下去就只有无组织的单个分子了。生命的特征是生长与繁殖,线形分子在形态上恰好具备这两个特征。线形分子在两端生长,向外延伸后仍然可以是一条线形分子。线形分子也可以在侧向俘获外界分子,这些被俘获的分子相互串连,就可以衍生出一条新的线形分子。因此,一个自然而然的假定随之而来,最早的生命是从线形分子开始的。

我们知道,生物线形高分子在自由状态下一般将形成螺旋形而不是直线形,有许多理论例如Helfrich的手征弹性链理论[W. Helfrich, Elastic theory of helical fibers, Langmuir, 1991, 7 (3), pp 567–568]可以解释这样的现象。这些理论自然也适用于最早线形分子生命的形态,但是这些理论主要是从物理学角度考虑问题。那么,我们有没有办法在地球环境下从生物学角度,从生命的两个最基本特征:生长与繁殖,来进一步观察最早线形分子生命的形态。回答是肯定的,对线形分子生命来说,生长意味着延伸,繁殖蕴涵着对称性,这种“可延伸的对称性”将为我们打开一扇观察最早生命的窗口。

3. 第一个生命的形态

作为生命,第一个生命或者简单地说最早的生命也必须有适应环境的能力,否则不能生存下去。一方面是对外界物理及化学环境的适应,在能量及物质的互动中进行生长与繁殖,我们假定最早生命当然也有如此的适应能力。另一方面是对外界生物环境的适应,对生物来说这是一个复杂的问题,但是对于最早的生命也只有最早的生命,这个问题变得简单,因为只有最早生命一种生命,最早生命的生物环境就是面临其它可能同时出现的最早生命的竞争。既然可以产生第一个生命,当然就有可能同时产生其它的生命例如被第一个生命繁殖的生命,这些生命都有机会与资格做为第一个生命,这些生命要互相适应,不发生冲突,才能使第一个生命得以生长与繁殖或者说“可延伸与被对称”。

我们设L是第一个线形分子生命,在外界提供的条件下L可以同时进行生长及/或繁殖。设L至少繁殖出一条与L相同结构及相同形状的线形分子L’,相对地,L’在相同的外界条件下也应该可以进行生长并且繁殖出L,L’也有作为第一个生命的机会与资格。这意味着,在外界条件作用之下,L、L’ 可以同时进行生长及/或繁殖,同为最早的生命或者说第一个生命。

形成线形分子需要条件。第一需要能形成线形分子的小分子,我们假定这些小分子是存在的,随机分布于环境。第二需要外界提供耦合小分子的能量(包括催化作用等化合条件),能量强度要在一定的范围内,而且作为能量载体的物质粒子也要有恰当的物理与化学的特性例如起催化的作用。第一个分子生命从两个小分子耦合开始就需要这些条件共同出现,因为小分子很稀少,碰到一起的机会更少,外界作用的时空范围必须尽量大,作用范围越大,小分子被耦合的机会越多。如果在某一点p,形成线形分子生命L的两项条件均达最佳即条件好于或等于周围点,就可能在p的一个邻域内即条件起作用的范围内形成L或其片断。如果沿一条曲线C出现形成L的最佳条件,而且L的形状与C匹配即L一直位于C邻近,在C的邻域内就可能形成较长的L的片段直至整条L。因为小分子是随机分布的,它们可能在任何地方出现,这时外界作用的轨迹主要由能量状况决定。显然,如果存在一种占优势的能量作用轨迹,则与此轨迹匹配的线形分子就有更多的形成机会。

我们考虑最简单的情形也就是所有曲线中间状态的直线能量的作用。一个能源向外辐射出能量,每个方向的状况可能不同,如果某一时刻沿某一方向辐射出形成L所需的能量,则沿此方向就形成一条直线作用。地球上存在很多这样的直线作用,例如闪电、地热、放射性、海底火山等释放能量的过程都可能形成直线作用。以太阳为例,太阳作为地球的最大能源则在时空范围提供最多的直线作用。太阳通过紫外线、可见光线及红外线及其它物质辐射能量到达地球,通过任一点p的太阳光线是沿着太阳中心点与p的连线。每一条太阳光线的强度、成分可能不同,如果一条光线满足形成L的条件,沿此条光线就形成直线作用。

我们暂且假定,最早的生命就是在某种直线作用下产生的。在这种情况下,与直线作用匹配的线形分子就有更多的形成机会包括将短链连接成长链的机会。

我们设想在某条直线能量作用J的邻域G内观察到第一个线形分子生命L,则在G内应同时至少形成一条同形的线形分子生命L’。L或 L’沿J可以自由生长,L或 L’可能的生长轨迹形成一条沿J延伸的路径,仍记为L或L’。根据对称关系,L’ 也可在L的路径上生成,L则可在L’的路径上生成。因此,在J邻近至少有两条可形成L的路径。在这种情况下存在两种可靠的方式形成这种路径。一是平移,我们将L上的点平行J移动任一距离d形成路径L(T)。L(T)与L相差一个平行移动,两者同形且相对J有相同的位置,故仍在G内,位于J的邻近, 显然,如此得到的L(T)都有机会与资格作为L的路径。另一是旋转,将L以J为轴旋转任一角度w形成路径L(R)。L(R)也与L同形且相对J有相同的位置也仍在G内,位于J的邻近,显然,如此得到的L(R)也都有机会与资格作为L的路径。把平移与旋转组合进行,就得到所有的可能的L的路径。

如上所述,最早生命之间有自适应,即不会发生相互冲突与扼杀的现象,每一条线形分子生命都能生长与繁殖,这意味着:在纵向上路径的两端能不受阻挡地自由延伸以便线形分子生长,这也表示通过一点只有唯一的路径,或者说,两条路径相交则必重合。在侧向上,每一条路径四周不会被其它路径团团封死,不致失去繁殖的机会。

现在我们来求L的路径。首先有两个显然的路径满足上述要求。一个是在G内的平行于J的直线,另一是G内的以J为中轴法线的圆。问题是,除此之外还有哪些路径?

设L为非平行于J的直线也非垂直于J的圆,我们将L沿J平行移动即将L的所有点沿J平移一段距离,这时L平移轨迹形成一个曲面记为S(T)。我们又将L围绕J连续旋转,L旋转轨迹也形成一个曲面记为S(R)。

S(R)是一个旋转面,S(R)沿J平移一般将产生一个圆柱体或中空的圆柱体,显然,这些空间体中充满L的路径,因此存在L的路径被L的其它路径严密包围,无法与外界环境接触,这就与上述自适应要求矛盾。因此,如果L是分子生命,S(R)沿J平移必须形成圆柱面,记为S。这也表示S(R)或者是S或者是S的一段,从而推得L是S上的曲线即圆柱面上的曲线。当然,我们也可以从S(T)绕J旋转出发导出同样的结论。

假设S(T)仅是S的一部分,这表示L沿J平移形成S上一个条状区域T,T的边界是两条平行于J的直线j(1)、j(2)。这时必定存在L的一段线形L(0),L(0)的两个端点q(1)、q(2)分别在j(1)、j(2)上。如果L(0)不是L的全部,则q(1)、q(2)中至少有一点将连接L的另一段线形L(0)*。我们沿J平移L,设在t时刻,L(0)及L(0)*平移到L(t)及L(t)*,显然,L(t)*将与L(0) (或L(t)与L(0)*)相交,通过一点出现两条不重合的路径,这又与自适应要求发生矛盾。这表示L(0)就是L的全部, L只能是有限长的,这与路径可自由延伸的假定矛盾。因此,当L是线形分子生命时,S(T)必定是S全部,L沿J平移将覆盖圆柱面S。

将L围绕J旋转一角度w到路径L(w),再将L(w)沿J平移距离d到路径L(w,d),如果对任何d,L(w,d)都不与L相交,这意味着L(w)所形成的S(T)没有覆盖S,与前面的结果矛盾。因此,必定存在d, L(w,d)与L相交,根据上述适应性要求,L(w,d)必与L重合,表明L(w,d)又回到原位置L,这就是说,旋转L所得线形与L只相差一个高度。

我们沿圆柱面S的一条直母线将圆柱面剪开展成一张平面,圆柱面上的曲线就变成平面曲线(注意,连续的曲线存在剪断的地方)。曲线在圆柱面上的旋转在平面上变成平移。上述L具有的性质意味着,如果我们平移曲线任意一段距离,所得曲线只要上下移动即可与原曲线重合。我们可以想象,对平面曲线,只有将所有弯曲磨平成为直线才有可能满足这个要求。平面上的直线对应的正是圆柱面上的圆柱螺线。我们来证明此点,取J为z轴作一个右手笛卡尔直角坐标系0-XYZ,可将L表示为:

x=rsint
y=rcost
z=f(t)

上式中r为圆柱面半径,t为任意实参数,f是t的函数。根据上面最后结果,L绕J旋转任一角度w后与原线形至多相差一高度,这意味着

f(t+w)–f(t)=d(w)

这里d(w)是仅与w有关,两边对t求导

df(t+w)/dt–df(t)/dt=0

注意存在等式

df(t+w)/dt=df(t+w)/dw

故有

df(t+w)/dw=df(t)/dt

令t=0,得

df(w)/dw=df(0)/dt

又令df(0)/dt=h,则有

f(w)=hw+c

式中h为常数,c为积分常数,这表示f为线性函数。

我们不妨取c=0,最后得

x=rsint
y=rcost
z=ht

当h等于零时为圆,h趋于无穷大时趋于直线,一般情形下为圆柱螺线,h>0时为右旋圆柱螺线,h<0时为左旋圆柱螺线。这就证明L为右旋或左旋的圆柱螺线。

我们来讨论一下这些解的意义。显然,圆的路径没有意义,因为在直径很小的封闭路径上L不能自由延伸,因此线形分子生命不会取这种形状。其次是直线路径,我们已经从物理理论知道生物高分子难以保持直线形,因此线形分子生命也不会取这种形状。直观上也能看到,线形分子上存在单键,单键可以自由旋转,这使得线形分子很难保持稳定的直线结构。余下就是圆柱螺线了,这样的线形分子是存在的例如DNA,因此我们得到结论,第一个生命或最早的生命是圆柱螺线形状,换言之,最早的生命必须有圆柱螺线的结构。

我们到这里终于看到,线形分子生命作为最佳生存能力的线形分子,应具有一定的形状,这就终于允许我们现在在数学形式上考虑问题,假定有一个最优形状使线形分子有最优生存能力。数学上可用两个参数描述空间曲线的几何形状,一个是曲率k,表述曲线偏离直线的程度,另一个是挠率τ,表述空间曲线偏离平面曲线的程度。假定L为最优线形,则L的每一点局部的形状都是最优的。而每一点形状最优意味着每一点都有相同形状,这又意味着所有点的k与τ相等,从而k、τ在曲线上为两个常数。在一个右手直角坐标系0-XYZ中,我们可将k与τ为常数的曲线表示为上述圆柱螺线形式,式中

r=k/(k²+τ²)

为圆柱面半径,

h=τ/(k²+τ²)

2πh为螺距。由此可以看到最优线形也只有圆柱螺线线形一种。这不但从另一个视角验证了上述结果,而且特别重要的是,这表明我们在寻找分子生命的过程中所做的假定特别是线形分子生命在直线作用下产生的设想,不会产生遗漏之处。

4. 若干推论

从数学角度我们还能看到圆柱螺线在形成上的优势。如果把一条圆柱螺线拆成任意片段,因为所有片段的k与τ都是相同的常数,只要把片段串联起来,无论次序如何,连成的都是与原来形状相同的圆柱螺线。一般在大自然中在路径上所形成的线形分子大多是较短的(从L的最后获得生命功能的长度来看,这些短链也可看作是“小分子”),圆柱螺线的这个可任意装配的特性使它比其它线形更容易形成较长的线形。另外,圆柱螺线在旋转之下与原线形在纵向上最多相差一个高度,意味着无论从哪个方位观察线形,外界都看到相同的形态,这表示线形在侧向与外界有均匀的接触。同样,圆柱螺线线形在平移之下与原线形最多相差一个旋转角度,这表示线形在纵向与外界同样有均匀的接触。

现在可以说,上述最早生命的特征从数学上看可以从圆柱螺线的性质倒推出来。因此,现有的RNA、DNA、蛋白质分子自然继承了最早生命的特征。在地球初始环境中,产生最大直线能量作用的是太阳,我们不妨假定,最早的分子生命最大可能是从那些可在太阳光直线作用下形成的、而且形状在太阳光直线作用下能保持在光线直线附近的线形分子中产生的。

RNA世界学说认为RNA出现在DNA之前。那么,RNA是否为最早的生命?如果是的话,根据上述结果,RNA中应存在可在直线作用最大可能是太阳的直线作用下产生的圆柱螺线线形结构。在此值得一提的是,关于RNA在太阳光照下的特性,Mulkidjanian等人[Armen Y Mulkidjanian, Dmitry A Cherepanov, Michael Y Galperin: Survival of the fittest before the beginning of life: selection of the first oligonucleotide-like polymers by UV light. BMC Evolutionary Biology 2003, 3:12]模拟太阳紫外线对分子稳定性的影响,发现RNA在强紫外线照射下比其它分子更可能形成长链,而且紫外线可能有促进聚合的作用。如果RNA中不存在可在太阳光直线作用下形成的成分,则RNA必定由更早的生命进化而来。无论如何,RNA在时间上最靠近最早生命,据此,由RNA包含的结构我们推测,地球上最早生命是右旋的。

生命的起点被唯一地限制在圆柱螺线线形结构范围之内,说明生命没有任意性,这正是本文开头感兴趣的事,人类很可能就是我们宇宙中的那个智慧生命。同时另一个问题随之而来,自然界可以提供多少种圆柱螺线线形结构用以形成生命?假如在RNA、DNA之外存在另外的独立的分子结构能在某种直线能量作用下形成上述分子生命的圆柱螺线线形,如果没有物质上的竞争,此种结构一旦形成也可视为一种最早的生命,它应该会适应环境包括与其它分子生命的互动走上生物进化的道路。我们现在不知道是否存在此种结构,如果假定它存在,有一点可以肯定,最早的此种结构的生命也取圆柱螺线形状。

最后,我们不妨进一步想象,假定地球上最早生命是在太阳直线作用下形成的右旋圆柱螺线线形分子,我们推测一下,地球生命诞生地在何处?最早生命可以看作是一种朝着太阳生长的线形分子,这种生长与植物生长的不同点是没有固定的根。首先,平均来说,太阳直线作用最强烈的地方是在地球赤道,因此第一个圆柱螺线线形分子生命最可能产生在赤道附近。其次,我们观察旋向即右旋与左旋,如果在某个地方一种旋向比另一种旋向能更好地利用太阳作用,则这种旋向就有形成上的优势。我们做一个简单的实验,现在可以设太阳在地球赤道上空从东向西做视运动,我们站在北半球上,用手一面跟踪太阳中心一面伸出,手将做出一个右旋运动,这表示在此位置上右旋的线形分子比左旋的线形分子能更好的跟踪太阳视运动,这意味着右旋的线形分子有更多的形成机会。由此推断,地球上第一个生命的诞生地在北半球赤道附近。我们现在不知道它是不是宇宙中的第一个生命?但至少可以看到在地球上能够独立地诞生生命进而导致智慧生命——人类的出现。(2014年1月2日)

世界可知的意义——关于人和宇宙的设想(2)

2013年2月16日

作者前一文设想过人类未来的生存问题,我们特别关注那些给人类带来希望与机会的、随着人类文明发展不断扩大的可能性。如果设想甚至想象的东西有某些恰当之处,也许经过千年、万年、亿年以上它们就会变成现实。本文继续设想一下人类未来直至极其遙远的未来。

我们从人类大脑谈起。人类最重要的创造是科学,科学是最优秀智慧(或者说创造性思维)的结晶,而智慧则是人与外界互动之下大脑运行的产物。研究人类大脑的目的不仅在于搞清楚大脑的微观与整体结构、功能、工作原理及大脑运动的物理基础,而且要搞清楚智慧的产生机制并利用它更好地发挥智慧的力量。当然,大脑的问题不止这些,更多的还有待发现。

那么,人类是否做得到完全掌握智慧的产生机制?做到的可能性是有的。首先,大脑虽然结构、功能复杂,但体积有限,这限制了层次及各层次成分的数量,故各成分及成分之间产生的独立的基本现象是有限的,由此蕴涵的根本机理(根本原理、根本机制)也是有限的。虽然从那些有限的基本现象可以衍生出无数的大脑现象,但都是在有限的根本机理的基础上展开的。因此,大脑有大量的甚至巨量的问题但不大可能有无穷多的问题,换句话说,不大可能藏有无穷多的谜、无穷多的秘密。其次,外界作用或与外界互动总是通过人体系统如感觉系统、运动系统等进行,人体系统也是有限的,其根本机理同样也是有限的,外界即便千变万化如从人体系统去研究分析不至于永远不可捉摸。倘若人类生存亿年以上也有充裕时间去解决这些问题。

假如有朝一日人们完全掌握了智慧的产生机制,科学就会突飞猛进。我们设想一下,那时若发现某个现象需要搞清楚,人们思考时启动产生智慧的机制,解决问题的渠道就会一一展现,让人们立即找到答案。在这种情况下,自然界中有关人类生存的现象及理论问题将被人们及时发现和解决。当然,人类在应用及实践活动中仍会遇到挑战,例如为实现人类的目的在宇宙中寻找材料、播种生命、安排星体分布状态制造适当的生存环境等等。那时人类也许会考虑这样的问题:大爆炸前是什么状况?大爆炸初始状态如何影响所产生的宇宙?还存在哪些人类能在其中生存的宇宙?人类可不可又如何走进那些宇宙?

也可能做不到,人类虽然不断取得进展但永远无法完全掌握智慧的产生机制。这表明大脑问题是不可攻克的科学堡垒。那么,人们怎么知道自己尚没有掌握智慧的产生机制?首先是存在一些大脑现象,人们尚未搞清楚它们发生的原因,同时外界还存在影响人类生存的问题急待解决。考虑到大脑也是宇宙的产物,所以归根结底还是宇宙中存在谜,人们甚至连能不能解决都不知道。

这就引出一个问题,实际上人们就是掌握了智慧的产生机制也会遇到同样的问题:这个世界、这个宇宙中是否存在一些关系到人类生存的秘密,人类不可知?

假如是的话,则结局只有一个。总有一天,人类会陷入不可克服的生存困境,使人类走向消亡。在这个过程中,人类必定极度的失望、极度的悲怆,因为这一切意味着:人与宇宙原来毫无关系,人类这样的智慧生命发生在这个宇宙中完全是一个偶然、一个枉然,宇宙不过是一个禁锢人类的地狱,身在其中永远看不到外面的光明,而且它本身也避免不了走向消亡的命运。这场悲剧果真会降临吗?这是个问题。

假如不是的话,只要人类生存得足够长久,人类对宇宙就没有揭不开的谜,就没有不知道的秘密,人们用智慧及努力最终能看到一个“透明”的宇宙。所谓“透明”的宇宙,就是可以理解的又可与之互动的宇宙。在这样的宇宙中,智慧生命自由快活,看得到外面的光明,宇宙中充满探索的乐趣,大自然之谜如花一般被依次打开。即使面临生存困境,人类也不会迷失方向,尽快走上自救解放的道路。当然,意外的情况也不能完全排除,比如还没等到谜底揭晓,灾难已经发生,但这种可能性随着科学技术的进步将越来越小了。显然,透明的宇宙有利于人类的生存。而且,我们将进一步看到,透明的宇宙对宇宙本身也有正面的作用。

现在,假定在宇宙的集合中,有的宇宙存在智慧生命,也有宇宙不存在智慧生命,有的宇宙出现一次便走向消亡,也有宇宙在热寂之前通过演变或与其它宇宙作用产生出新的宇宙,让宇宙重复多次地发生。

我们设想,取两个能产生新宇宙的宇宙A与B。A是透明的宇宙并存在类似人类的智慧生命记之为a,B不存在智慧生命或者存在但不透明,看看将发生什么情况?由于A是透明的,智慧生命a最终能掌握A的所有秘密,这不但使a可能生存得与A差不多一样长久,而且最终能掌握及运用A的演化规律。当A消亡、或者分解、或者与其它宇宙碰撞或摩擦,开始突变出新宇宙时,我们可以设想,a即使无法避免消亡,也会在消亡前通过安排突变的初始状态使新宇宙包含A的特征,以便在新宇宙中使生命再发生,通过进化重新出现类似a的智慧生命并生活在一个透明的宇宙中。而B则是另一种情况,B产生的新宇宙完全是偶然性的,在新宇宙中出现智慧生命、变为透明宇宙的可能性微乎其微。

我们从此看到:

1,一个对智慧生命透明的宇宙不仅有利于智慧生命的生存,也有利于宇宙本身,使它的特征能在新宇宙中延续下去,实质上这是旧宇宙的新生,旧宇宙与智慧生命通过共生使得双方共同获得再生。

2,假如B产生新宇宙的过程重复充分多的次数,它也可能偶然地产生一个既有智慧生命又透明的新宇宙。一旦这样的宇宙产生,它就成为A类宇宙。据此可以推断:即使初始时刻都是B类宇宙,在宇宙的集合中随着时间的增加A类宇宙将越来越多,即使不幸发生意外,A变成B,也不会影响A的大趋势直到A类宇宙稳定在一个相对多数的数量水平上。

按照以上设想,通过一百多亿年前大爆炸产生的我们这个宇宙很可能就是一个透明的宇宙!它可能是偶然的产物但更可能由上一次智慧生命与宇宙所共同创造。尽管这是设想中的结果,也不免使我们感到欣慰,在这样一个透明的宇宙中,人类未来定将有所作为,完成无数的壮举,不大可能发生宇宙健在而人类消亡的悲剧。在此,我们有必要重温爱因斯坦用类似悖论的语言说过的活:“Das Unverstaendlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen koennen”,即:宇宙中最不可理解之处正是我们能够理解宇宙,现在看到了新意,原来爱因斯坦在此幽默地向我们预告了一个透明的宇宙!

爱因斯坦的活实际上还蕴含着一个问题:在透明的宇宙中,为什么智慧生命能够理解宇宙?现在,在我们设想的框架内可以给出一个解释了:在透明的宇宙中“智慧生命能够理解宇宙”是一种类似进化的结果,因为它有利于生存。我们看到,假如智慧生命不能理解宇宙,那么智慧生命连同所在宇宙就就几乎没有机会再生了。只有在相反的“智慧生命能够理解宇宙”的情况下,智慧生命才能避免死亡,与透明的宇宙共生再生,继续在新宇宙中自由生存下去。

当然,除此宏观现象上的解释外还应有从宏观直到最小微观层次的机理上的回答。如果以人类作为智慧生命标本,这似乎要涉及到这样的问题:为什么最终能在人的大脑中形成宇宙运动规律的正确映像?我们现在当然无法回答。但是我们可以指出一点,生命发生包括智慧现象都是在宇宙根本机理的基础上展开的,当大脑的复杂程度发展到一定高度甚至可以与宇宙的复杂程度相比拟时,自然现象的奇妙将诱发出人的求知欲包括观察、探索、模拟、实验活动在内,自然现象的变化将诱发出想象能力、推理能力,与自然现象的交往则锻造出积累经验能力及纠错能力,如此等等。假如存在一个宇宙运动规律到大脑的映照机制,那么,它最终所产生的映像不可能与宇宙根本机理相矛盾,因为那些矛盾的东西会渐渐消失在人类与自然的互动中。

我们再来看一下我们这个宇宙,它是透明的,那么,它显然不会有无穷多的有关人类生存的秘密,否则人类将无法全部予以破解。这意味着,这个宇宙不但不是无限的,而且宇宙所有层次及层次中的成分也不是无限的,只有这样,宇宙才不致拥有无限的根本机理,才不会出现无穷多的秘密。这也表示出宇宙并没有无限的复杂程度,大脑的复杂性完全有可能发展到可与之比拟的高度。同时,它也没有人类永远不可破解的有关人类生存的秘密,那样的话,我们的宇宙就沦为黑暗的地狱了。

正是上面最后一段话令人思索,按照这话的意思,总存在最后的秘密,它在哪里?

可能在人的大脑里吗?

但是当人们还没有掌握智慧秘密时,宇宙中很可能还存在人所不解或不知之谜。

可能在宇宙中吗?

但是当人类掌握智慧秘密后,宇宙中可能不再有谜了。

这么一看,这最后的秘密只能藏在一个地方:那就是在宇宙与智慧的某“交点”上,在某共同现象上,在我们所未知的某个或某些统一的根本机理之上。

(2013年2月10日中国农历初一夜。明天天亮,母亲去世就五十年了,岁月匆匆,一些念头可追溯到大学读书教书孤独白日梦之时代,小文一叶也寄去对母亲与父亲的深深怀念。2014年1月12日改)

人类归去来——关于人和宇宙的设想(1)

2012年10月11日

作者在此陆续记下一些曾经有过的设想或想象,这是第一篇。

宇宙学里通常用“亿年”论时间,这个“亿年”相对人的寿命是个百万倍的巨量,然而从生物物种可能存在多久的角度去看,它倒不失为一个恰当的时间尺度。例如恐龙,恐龙一词是多个物种的总称,凭着肌肉与盔甲就称霸地球一亿六千万年。有的古生物学家认为现代鸟类应从某种恐龙演变而来,突发的大灾难似乎也没有把恐龙一网打尽。有的物种历经亿年甚至连面目都不改,生活在苏格兰Caerlaverock及英格兰New Forest的小虾Triops cancriformis(horseshoe shrimp)依旧保留着两亿年前化石所展示的形态,它完全可能就这样以亿年为尺度地延续下去。

一个有趣的问题是:人类可能存在多久?这里所谓的“人类”包括由它演化出的能创造文明的后续生命。很多人相信宇宙中有外星人,可惜尚未证实,在此我们只能考虑地球人的情况,把它看作是创造出宇宙中最高文明的代表。

影响人类生存的主要因素之一是自然灾害。去年发生的东日本大地震及引发的海啸,让我们看到人在天灾面前之弱小,这不免使人悲叹,甚至产生“世界末日”之类莫名恐慌。实际上自从人类诞生以来地球上所发生的天灾如地震、洪水、火山喷发等等包括不单是自然因素造成的传染病在内,虽然给人类带来极大伤亡但是还没有危害到人类延续的地步。将来会不会出现更严重的如导致恐龙灭绝那样的天灾?长期看总有可能,但至少一、两百年内不会。人类很侥幸过去势单力薄时没有遇到那样极端的天灾,现在则是另一番模样了,世界上一些国家已建立一些比较可靠的社会制度并掌握了科学技术,即便发生那样天灾,人类也能对付,不致重蹈仅仅作为动物的恐龙之覆辙。恐龙为什么灭绝?一种观点认为是小行星撞击地球引起。如果确实如此,又出现一个问题,撞击也可能把地球上与生命有关的分子抛向太空,它们已游荡到宇宙何处?遭遇小行星或彗星撞击可算是地球上最大的一类自然灾害,人们现在已想出办法对付并做过成功的实验,例如发射飞行器打击,改变星体运行轨道,从而避免与地球相撞,一、两百年后的办法当然更好。我们可以看到,随着时间的推移,人类被自然灾害毁灭的可能性将越来越小。

另一个因素就是来自人类自身了。有史以来,光光人类自相残杀、血腥战争、风调雨顺却饿殍遍野这些“人祸”所造成的人的伤亡数量估计已经超过天灾所致。人祸当然是人搞的,多是有人有意为之,那些肇事者或用强力胁迫人服从,或用美丽的谎言诱惑人信从,常常兼而用之,一时形成汹涌澎湃的社会潮流,在极其混乱的状态中产生死亡旋涡,上演无数人间惨剧。人祸是从哪里萌芽的?从人的个体来看,人禍主要源自愚昧与野蛮。如果把历史上做过大屠杀、热衷血腥战争、弄得千万人饿死的人类罪人拉出来剖析示众,别看他们讲得多漂亮,宣传得多风光,内里全是愚昧与野蛮之徒。从社会来看,人禍主要出在权力与资本。这两件东西,人类社会在很长一段时间内不可或缺,然而又可能,借用马克思的话,“从头到脚,每个毛孔都浸透着血和肮脏”,招惹是非,酿成或大或小的人祸。可以这么说,权力与资本是个放大器,人的愚昧与野蛮往往通过它被放大成为人祸。当然,还有一些人为灾难是由人的疏忽、无知乃至人的活动引起,如核电站泄漏、气候温室效应,大规模瘟疫之类。这些问题有的看上去很难避免,但事后追究一下大多也与愚昧、野蛮以及权力、资本这个放大器脱不了关系。

要避免人的因素危害人类,很明显,必须从两方面着手。一方面要发展、普及科学技术,提倡人道、人权,提升人的文明,从而尽可能减少愚昧与野蛮。另一方面,要建立能自动改进的社会制度驯服权力与资本,社会必须有独立于权力,独立于资本的选举、监督及纠正机构,清洗那些浸透着血和肮脏的东西,及时发现、消除、补救那些可能引起灾难的人的活动。这是怎样的一种制度?毫无疑问,那些历史上已闹过人祸的社会制度应予抛弃而且要反其道而行之,行的起点是:全面保障人的自由特别是思想表达自由及参与社会活动的自由,使社会上每个人拥有同等的尊严,使社会群体的意见有交流碰撞的空间。大势所趋,估计几十年内世界上主要国家都将实行这种制度,人祸将不再是悬在人类头上的达摩克利斯剑了。

尽管如此,目前在一些人与自然互动方面的情况仍然令人焦虑,如人对环境的破坏、全球人口增加引起的资源紧张等。因为这些问题可能与天灾一起出现,给人类带来始料不及的加倍打击。这些问题业已引起越来越多的人重视并提出一些建议包括移居太空在内。问题是所有解决办法都需要世界各国的合作,如果社会制度不相容,这种合作很难进行到底。我们在此呼吁:仅仅从人类的生存出发,那些还承继着“人祸制度”的国家,应立即进行根本性的和平变革,使自己的国家也使人类走上坦途。这也是每个人尤其是那些国家领导者保障本人及子孙后代平安之路。更远一点,我们希望在此之后尽快实现世界大同,人类真正成为一个大家庭,这不仅圆我们人类一个古老的梦,更重要的是人类能用整体力量完成移居太空之类壮举,保证人类顺利地长继久续。

我们现在可以初步回答一下人类能存在多久的问题了。首先与恐龙比较,彼此同为称霸地球的生物,若不计天灾人祸,人类存在的时间至少与恐龙的一亿六千万年相当。其次,假如把六千五百万年前的恐龙天下換成人类社会,经历了亿年发展的人类,还会被一颗飞来的小行星消灭?就是靠人类驻扎在外星的基地大概也能把它赶跑。所以人类的存在一定大于两亿年而与小虾Triops cancriformis的时间相当。当然,本文讲的都是可能性,但是,通过人类的努力,这种可能性将越来越大。我们可以从这样的可能性出发考虑问题。

两亿年后的人类是什么情况?那时人类社会实行怎样的制度?科学技术进步到怎样的地步?我们无法知道。即使一万年后的情况,也难以预言。我们只能做一些设想,首先,估计如爱因斯坦那样的伟大人物已出现过成千上万了,他们是人类的大脑和脊梁,他们是人类进步的发动机和火车头。其次,那些至今尚未解决的数学、物理、化学、生物学等等方面的难题大多有了答案。癌之类病毒或基因等引起的所谓不治之症全被征服,也有办法推迟肌体衰老,提高人的寿命和生活品质,使人的死亡不再伴随恐惧与痛苦。现在有一种理论认为一个物种比如人类经过几千辈后将出现年轻个体老化性疾病,影响繁殖功能,如果此论正确,一万年后问题将更突出,这类事关人类生存的问题自然会重点研究予以解决。大自然方面,人类的太空基地会延伸到太阳系、银河系之外,人类不但寻找外星生命而且能在宇宙中播种生命,从而对我们这个宇宙各个方面都有深刻的了解。人们发现新的数学工具、新的物理观念、新的生物学方法、诸如此类可以使一些现在认为不可能的东西渐渐变为可能,人类的力量尽管有限,但可以通过新的手段放大其作用,就好比一个聪明的蝴蝶拍动一下翅膀可能形成风暴那样,人类能通过改变物理过程的、生物过程的初始条件或局部效应控制整体的、大范围的运动状态。许多有关混沌与不稳定系统的难题如长期天气控制、大脑机制,有关极高密度和极高温度状态下的物理过程如大爆炸,可能都已明暸,特别是生命为何能在我们这个宇宙中起源,生命发生与宇宙基本特征基本常数之间的关系,与大爆炸初始状态的关系,也找到了解决的渠道。

从大趋势看,人类存在时间越长,人类社会就越进步,科技就越发达,人的创造性就越多,这反过来又使人类的存在时间延长,对人类来说这是一个良性循环的正反馈过程。因此,人类将比小虾Triops cancriformis生存得更长久。太阳的燃料只夠维持五十亿年,如果没有人类到时帮助小虾走出太阳系,它五十亿年后就只能为太阳殉葬了。

人类作为物种的寿命最终受限于宇宙,而宇宙也有生死问题。即使现在的宇宙保持不动,总有一天宇宙中所有物质达到热平衡进入热寂状态,生命也无法生存下去。实际上宇宙一直在运动,根据现有的理论,它有很多可能的变化方向,其中主要的有两个:膨胀与收缩。

目前观察到宇宙正在加速膨胀,所以一个可能是,在热寂之前宇宙已经膨胀到人类找不到、搞不出适当的生存空间了。在这种情况下,最好是宇宙自动停止膨胀而开始收缩,或者未来人类有能力自己这样做,人类才能继续生存下去。宇宙停止膨胀转为收缩的可能性确是存在的,因为宇宙永远膨胀需要一个无穷大的能量,虽然现在不清楚提供斥力使宇宙膨胀的所谓暗能量的性质,但是它不大可能永远沒有衰减,具有无穷大的作用。所以,当宇宙膨胀到一定程度尚未热寂时,也许由于暗能量耗损或其它什么原因,当然,也不排除我们现在想象的可能来自人类的干预,宇宙开始收缩,最后收缩到一点发生大爆炸。我们不知道宇宙在这个收缩过程中是否会自动停止,所以要人类不被大爆炸毁灭,只得想象几百亿年后的人类自己去阻止这个收缩。那么,人类能不能就在这膨胀与收缩的无限循环中永远生存下去?不能,因为时间一久宇宙的热寂仍然不可避免。

膨胀,还是收缩?最后的人类希望宇宙朝哪一个方向运动?我们相信,未来人类将选择收缩,让宇宙再次大爆炸。为什么?因为膨胀的结果,宇宙将变成一个坟场、一个绝对黑暗的世界。而大爆炸却可能使宇宙浴火重生,又出现一个新的朝气蓬勃的新宇宙。更重要的是,对于一心要继承前辈走出非洲、走出地球、走出太阳系、走出银河系等等壮志的最后的人类,这是最后一次“走出去”的机会了,即使生命不再也要把握这最后的机会把人类的呼唤、人类的萌芽送进新宇宙。

当然,关于大爆炸的整个过程,我们几乎是一片空白,现在的一些基本概念及理论应用到大爆炸不再适用。未来能否解决这个难题?作者下文将考虑宇宙可知的意义,如果从那样的角度去看,回答是乐观的,人类未来会搞清楚大爆炸全貌。因此,我们现在不妨由此做一些设想。

一个宇宙能让生命发生,简单地说,必须包含一个像地球这样的行星,围绕着提供温和光照的“太阳”,“地球”上要有丰富的碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素,有广阔的海洋,有喷薄的火山等,在这些条件的配合下产生第一个分子生命,进化随之开始,出现第一个细胞,进化的列车加速前进,从此走上可能迈向智慧生命的道路。

如果让大爆炸任意发生,极小可能出现如此完美的结果,也不知道需要多少次的大爆炸才能偶然爆出一个如我们这样的宇宙。我们以后会看到,一个生命无法生存的宇宙是很少有再生机会的“死的宇宙”,好比是一次性的废品宇宙,对我们来说没有意义,可以忽略不计。

那么,怎样的一个大爆炸才能产生我们现在这样的宇宙?这也是有待未来解决的问题。我们估计它大概和大爆炸的初始状态有关,这个初始状态又与之前的宇宙状态以及几十到几百亿年间宇宙物质与能量的分布历史有关。我们想象未来人类业已分布到宇宙的很多地方,有力量用初始条件或局部效应影响宇宙物质与能量的分布,经过许多亿年的准备工作调控好大爆炸前的宇宙状态,使大爆炸在适当的初始状态下爆出一个生命可以起源,新“人类”可能出现的新宇宙。

现在回头来看一下我们地球人类,人类却不是“可能”而是“确实”从一百四十亿年前一场大爆炸中走出来的。这有两个可能。一个是,这场大爆炸是在宇宙或多个宇宙运动中所发生的一次偶然性事件,它竟然爆得一个拥有蔚蓝地球、金色太阳的宇宙,那真是人类的侥幸!因为这样的机会是很小的。另一个可能是,一种可与我们地球人类相比的有理想有创造性的智慧生命引发了这场大爆炸,它似乎扮演了“造物主”或“上帝”的角色,使得所产生的我们这个宇宙能起源生命进而出现人类。这个可能性现在看上去也不大,似乎仅是作者的设想,但是随着人类的进步,经过千年、万年、亿年,我们会看到这个可能性将越来越大。(2014年1月2日改)

霍金忧天

2010年5月22日

现在世界上名气最大的物理学家看上去非霍金莫属。他与合作者把广义相对论与量子理论巧妙地统一起来获得巨大的成功,使宇宙物理学取得长足进步。也许有人问,霍金名声如此响却没拿到诺贝尔奖,是否很奇怪?我们不妨放下这个问题,换个角度看看。科学诺贝尔奖纵然崇高,但毕竟还是一种世俗的奖项,一位无拘无束、思想自由的物理学家穿着燕尾服去接受国王的奖赏,也许令人想起灰姑娘的故事。科学能受世俗宠爱固然美好,但如果让世俗覆盖科学,让天下所有灰姑娘尽入王子的怀抱,那就大可不必了,也绝无可能。诺贝尔奖不给相对论,使我们看到物理学超凡脱俗的一面,同样,假如达尔文时代就有诺贝尔奖,会给进化论吗?即便达翁活到今天,反对的人也多如牛毛。说到底,霍金的科学地位是由他的工作决定的,决定于工作的智慧、创造性、物理的意义及用途。拿不到诺贝尔奖并不会给霍金的科学地位减分,霍金的名气同样不过是世俗的回响,也不会为他的科学地位加分。

名气到是有个用,一样的话霍金一讲,新闻效果就不一样了。最近有一篇报道《霍金:外星生命肯定有,但最好别联系》,立即引起轰动。报道中霍金说,宇宙中有智能生命,“他们(外星智能生命)现在可能都住在超级大的船上,他们已经消耗尽他们所在星球上所有的资源,如此高级的外星生命很可能会成为宇宙中的游牧民族,天天想着去征服和殖民他们所能到达的星球”,“外星智能生命在与人类接触之后很可能会袭击地球,掠夺地球上的资源”。这样的意见其实早已有之,1974年波多黎各阿雷西沃(Arecibo)天文台向具有百颗“太阳系”的M13星团发射无线电信号以探测可能存在的外星文明反应,国际天文学会就发出警告,因为担心由此引发外星人的攻击。这些意见在提醒人们谨慎从事,何错之有?

生命体有一个共性,就是能主动行动、不断与外界接触、获得能量与信息、扩大生存空间,其代表行为是人类的走出非洲。实际上,人类今天已经在准备走出地球,升天、登月、发射探测器探测太空、美国NASA的科学家计划在今后二十年探测离地球一百光年内的空间,寻找是否有适合太空移民的行星,人类自己正在努力争取做一个“宇宙中的游牧民族”。显然,地球人所做的一切并不依赖于外星生命的联系,阿雷西沃天文台向星团M13发射的信号,即使有回音也要四万多年后,地球人也不可能等待。因此,如果存在那种乘着飞船企图攻击地球的外星智能生命,哪里还需要我们去联系?

霍金提到人类的教训,这也是担心的根据。霍金说,“当年哥伦布到达美洲大陆……美洲的土著居民深受其害”,指的是十五世纪末哥伦布“发现美洲大陆”的历史。十五世纪时,世界上好几个国家的造船航海技术已相当发达,使人们能夠在海洋上走得更远。1405到1433年间中国郑和七下西洋,1488年葡萄牙迪亚士(Bartolomeu Dias)发现非洲“风暴角”即好望角并绕入印度洋,到了1492年10月,居住在西班牙的意大利人哥伦布经过七十天向西航行发现一片陆地,以为是目的地印度(他认为地球是圆的),实际上是美洲大陆。我们不可以否认哥伦布“发现”后侵入美洲的殖民者给美洲土著带来极大灾难,但也看到这样一个事实,不是美洲土著居民的联系引发哥伦布的航行。因此,即使从哥伦布这段历史看,想通过“不联系”躲避“外星智能生命”的袭击,也完全没有意义。既然“不联系”毫无用处,那还不如主动与宇宙中的星球联系,这至少能使我们获得更多的信息,就是遇到外星生命,也可能在联系中沟通意见,提前化解矛盾、从而避免冲突,甚至互相帮助,使双方都得到益处。

哥伦布远航的目的是寻找黄金与香料,“外星智能生命”乘飞船到地球抢夺什么资源?物质方面的东西,外星智能生命都可以在其它无生命的星球上找到而且更富足,没必要找地球。能源方面,他们飞到太阳系还不利用太阳能?不可能。有了太阳的能量谁也不会希罕地球上的木材、煤炭、石油、核燃料之类了。如果存在一种我们不知道的东西(是否“灰姑娘”?),惟有地球有而他们又非要不可,那就要问:为什么至今没有外星智能生命来过?我们知道,迄今所有声称外星人光顾地球的故事都没有值得一听的证据。这不得不使我们怀疑:霍金所担心的恐怖的“外星智能生命”真的存在吗?
(2010.05.21)

对比钱学森——兼论马克思和毛泽东

2009年12月10日

钱学森二十五岁去美国四十五岁回中国,在美国度过二十年。那时的钱学森出类拔萃,他是美国第一流火箭专家,极富想象力,具有把数学与物理图像结合在一起的非凡智慧。钱的导师冯•卡门说,“他帮我提炼了某些思想,使一些很艰深的命题变得豁然开朗。这种天资是我所不常遇到的”。更重要的是,钱学森不但理性还是一个富有同情心的人。1947年因母亲去世,钱学森十二年第一次回国去安抚年迈的父亲,他在给冯•卡门的长信中详尽地叙说了他在祖国所见的人民的苦难。这种景象当然会使有同情心的人站到统治者的对立面,而当时的政权正在中国国民党人手里。据冯•卡门转述,钱在中国时曾拒绝交通大学校长职位的聘请,不管实情如何,这与钱学森的立场相符。

在后来发生的事件中也显示了钱的个性。从资料来看,钱学森参加过美国共产党的活动,很可能直接加入过美共。入党,在共产党掌权后如1949特别是1989年后的中国可以投机谋利,但在那时的美国是惹麻烦的事,一般是不计得失又重信念的人才去干。美国在二战中就发现苏俄共产党间谍渗透,参议院议员麦卡锡乘势通过麦卡锡法案,用搞运动的方式清除共产党分子,前后牵连上万人。怀疑也落到钱学森身上,当局要钱揭发一位涉及共产党活动的朋友,钱予以拒绝,这让我们看到钱学森的品格。从此开始,麻烦接连出现,从吊销钱学森机密研究证书直到移民局发布驱逐令。面对美国政府,钱学森进行了无畏的抗争,他周围的人如冯•卡门、加州理工学院院长杜布里奇等都公开同情他、为他说话。

一个有趣的问题是,象钱学森如此聪明的人怎么会相信共产主义之类东西呢?共产主义是马克思理论或者说马克思主义描绘的人类美好远景,那是一个没有剥削、没有不平等、没有人统治人的天堂般的完美社会。正是从同情人民的苦难、深刻批判资本主义弊端出发,马克思构想出社会主义社会与共产主义社会。面对人民苦难这个客观事实,一个天性热血之人与马克思理论产生共鸣就是容易理解的事了。三、四十年代的美国,民主制度比之今日还有更多的不完善之处,向往一个没有剥削、没有不平等、没有人统治人的社会,可能也是来自中国的钱学森所能看到的唯一抉择。更何况共产主义建设已在苏联、中国等国家全面或部分启动,请问,如果那个只有在宗教中才能有的天堂将在人间出现,谁不为之激动?

共产主义建设一开始就暴露了马克思理论的两个缺陷。一个是马克思画出“天堂”的样子却没能给出具体建造图纸,人们不知道如何去造?另一个缺陷则发生在“权力”这两个字上。如果我们把马克思的至理名言“资本来到世上,从头到脚,每个毛孔都浸透着血和肮脏的东西”改两个字,“权力来到世上,从头到脚,每个毛孔都浸透着血和肮脏的东西”,应验的地方比前一句话还多。一方面,社会结构及其运转从下到上离不开适当的权力,另一方面,权力能使役人改变人,进而可以操控一切包括金钱在内,如果没有一种制度防止掌权者权力过大、防止权力滥用、防止用暴力、阴谋、思想控制或其它不正当手段攫取权力,权力就可能变成比“每个毛孔都浸透着血和肮脏”的资本更坏的东西。马克思理论的这两个缺陷导致出一个马克思悖论:马克思画了“天堂”,由于没有具体图纸,从而引出一些声称能造“天堂”的人用暴力等手段取得建造资格,他们根据自己意志指挥人们动工造“天堂”,有俄国式、中国式、朝鲜式等各种各样的建造方式,因为只有上帝会造天堂,马克思又没有镇住权力的“法宝”,这些声称能造“天堂”的人渐渐变为会造“天堂”的“上帝”,“天堂”没建成却建成了“上帝”的权力,人们希望好“上帝”降临,可出现的都是坏“上帝”,结果带来的弊端比马克思看到的资本主义更糟,有的地方甚至发生马克思也未曾见识过的千万人饿死的人类特大灾难。这些祸患等不及共产主义“天堂”露面已经到来,使共产主义虚幻美景沦为一场真实的噩梦。

怎样一种制度能最大程度防止不当权力发生?不当权力的目的是使役人,因此关键要把人解放出来,这种制度必须全面保障人的自由,只要这种自由不损及其他人的自由:思想自由、表达自由、行动自由、信仰自由、机会自由、获得信息自由……,使每个人拥有同等的尊严,这样,权力就失去了不当使用的基础。由人的自由自然而然延伸出言论、结社、组党、参政等自由,延伸出人权高于国家、在法律面前人人平等、司法独立等观念,延伸出罢工、参与企业管理、建立专门法院等权利,以消除那些可能发生的“浸透着血和肮脏”的资本,延伸出市场经济及私有财产等经济现象,让经济规律起作用促进社会共同富裕,也延伸出一人一票选择领导者、任期有限、军警武装部门属于人民等最简单易行的使社会稳定运转的规则。这,就是我们从一百年世界历史演变中看到的答案,我们不妨称之为现代民主制度。一个不能回避的难题是,这种制度是否会再选出一个希特勒?非常遗憾,这个可能性不能排除。可是我们找不到更好的制度了!我们寄希望于现代民主制度本身具有的开放性,能使社会不断发展不断完善,从而降低出希特勒的可能性,我们也寄希望于,如果实行这种制度的国家越来越多,当某一个国家不幸冒出希特勒时,其它国家能通力予以制止。或许,难题本身就是一个代价——我们不愿等待一个好“上帝”的代价,与其等待,我们还不如冒一点风险把命运掌握在自己手中!

在这种制度下,人的天性中真诚、善良及美好的一面可以自然地尽情地流露,而虚伪、凶恶、丑陋的一面由于得不到权力庇护、助威只能寻机出击,当它们伤害到其他人自由时必然会遭到反抗,伤害程度越大反抗也越强烈。麦卡锡主义便是一个例子,麦卡锡利用人们对苏俄渗透的合理担心,在参议院成立“非美调查委员会”,超越法律大搞“追查共产党”的运动,用互相揭发,秘密听证之类不正当手段,使许多人受到冤枉或折腾。拿钱学森来说,他确实参加过共产党的活动,怀疑、调查也是事出有因,可是并没有查到他做过损害美国的事,他从无泄漏研究机密给其他共产党人,他在行李打包前主动把所有资料交人看过,当局也没有在他的行李中发现重要机密文件,因此不应该在他的信仰上做文章,那毕竟是他的自由。明智的做法是,当钱提出入籍意图后,这说明钱是一个识时务的人,应该特别挽留他在美国从事研究或学术工作。麦卡锡表面上要削弱共产势力,实际上帮倒忙,冯•卡门看得清楚,把钱学森弄出美国,“美国火箭技术领域一位最伟大的天才,……就这样交给了共产党人”,无异于奉送给红色中国去造导弹。麦卡锡因特殊历史时期之机一度很得势,然而当他的作为伤害到越来越多人时,不可能不遇到反抗,开始可能是一个受害人的抗议,或者仅仅出自另一个人对受害者的同情,一旦有第一个声音,就有第二个、第三个、越来越多的响应,因为没有人愿意面临同样失去自由的可能,就是这种人性力量编织成的无形扫帚最终把麦卡锡扫进历史的垃圾堆。

我们从钱学森事件中就能看到麦卡锡必然走向失败的影子。钱学森正在麦卡锡主义风头上出事。1950年6月,在钱学森表示出加入美籍的意图后,就如电影中那样,FBI(美国联邦调查局)人员走进钱学森的办公室,7月,由于FBI判定钱学森参加过美国共产党活动,钱的机密研究证书被军事部门吊销,从此展开钱学森在美国的最后故事。正如我们看到的,钱学森立即勇敢起身抗争,这是一个有表达自由的、有自我抗辩自由的人的自然反应。他首先找加州理工学院院长杜布里奇,申明失去机密研究证书无法继续进行喷气推进研究,杜布里奇安慰钱学森并建议他提出申诉,杜布里奇的行为是一个有同情自由的、又不存在因同情而被牵连的人的自然反应。杜布里奇把钱的情况转告远在欧洲的冯•卡门,冯•卡门立即致信钱学森,表示将做他能做的一切帮助,冯•卡门的行为是一个有行动自由的、又不用害怕因为帮助钱而受打击的人的自然反应。8月,钱学森直接找他的朋友、上司、海军部次长金波尔,告知由于被指控参加共产党,打算回国。金波尔表示不相信钱是共产党员,答应帮他恢复机密研究资格,这是一个有判断自由的、又不会由于判断错误而受责任之外不当惩罚的人的自然反应。金波尔同时对钱讲明不许回中国,随后金波尔通知国务院不让钱离开美国,金波尔公私兼顾、合情合法,是有独立行使职权自由的又不越权的人的自然反应。不幸,移民局从钱的已运到海关的行李中找到了美国共产党党员登记卡,9月,以1947年再入境美国时隐瞒加入美共一事逮捕钱,根据法规犯此罪的外国人要被驱逐,钱被囚禁十五天后交保出狱候审。10月,移民局发布驱逐令,但是为了使钱学森所掌握的资讯变得过时,钱被滞留美国五年,钱继续在加州理工学院担仼教职,直到1955年9月离开美国。钱学森一家在美国的最后一段时间住在同事Marble家中,两家相处无间结下深厚友谊,Marble一直与回中国的钱学森通信直到收不到回信为止,1981年退休后的Marble到中国拜访钱终于把中断二十五年的友谊重新连结,这又是什么自由?一个美国家庭满怀热情收留一个被自己国家驱逐的家庭并与之交往一辈子,不用担心遇到麻烦,这不就是私人友谊大于国家的自由吗?这不就是人权高于国家的自由吗?惟有这种超越世俗的友谊自由才能给人们留下动人的故事。我们看到,在整个事件中钱的同事、朋友都挺身而出同情他、帮助他、替他出谋划策,没有人疏远他、批评他、检举他、与他划清界限、投井下石,生动地展现了自由人的真诚、善良及美好的天性。一个中国人的遭遇尚且如此,我们可以推想,受到麦卡锡法案冤枉、折腾的其他人一定也会受到同情和帮助,即使一点一丝、然而涓滴成流,终有一天会把麦卡锡淹没。至于钱学森事件,关键是被抓到证据,又无法否定参加过美国共产党的活动,才在麦卡锡的阴影下使事情搞僵,恶化到无可挽回的地步。

1955年10月28日,正当壮年的钱学森到达北京,开始人生的另一篇章。他说,“……我一回来,毛主席重用我,周总理对我重视,聂帅也很信任,给我很大的权力,让我来做中国的导弹……”,权力似乎自动落到钱学森身上。在一个非民主社会中,最高统治层赐予的权力如同“钦差大臣”往往附有更大的权势,钱学森名义上是研究所所长、研究院院长、机械工业部副部长,得到的远远大于他在美国任超音速实验室主任或喷气推进研究中心主任那种仅仅“做导弹”的权力,他俨然成为中国科学技术界排名第一的人物。钱还当过中共中央候补委员、中国政协副主席,类似意义的官职在美国也找不到、只有在封建王朝中存在,它们是统治者钦定的权力标志。钱学森本是一个淡泊权力的人,但这种可贵的行为只有在美国那样的制度中可以实行。在中国,权力首先是等级地位包括生活、居往、出行、子女成长等水平在内,不要权力意味着降低生存条件、减少生存空间。其次,权力与安全挂钩,在权力的阶梯上越往上爬安全感越大,不要权力意味着失去安全,因此,除了极少数叛逆者外,没有人会主动放弃权力。钱学森最初完全可能出于共产主义信仰接受权力,权力一开始也以人所必需的生存条件、安全感之类走近,但权力有权力的规律,一旦权力加身可能就身不由己了。毫无疑问,钱学森不会去做那些贪污腐败之类有失尊严的事,这些事在任何制度下表面上都是反对的,他要做就做大事,他也许视毛主席为榜样,至少要做毛主席称道的大事。

毛主席如此重用钱学森,当然与钱在美国“做导弹”有关。毛泽东思想千头万绪,归根到底就是一句话:枪杆子里面出政权,毛主席最看重枪杆子,更不必说导弹了。一则广为流传的传闻,美国军方说钱学森抵得上四、五个(美军)师的兵力,不会不使毛主席对钱刮目相看。毛大概从没遇到过如此有用又如此神奇的人物,这四、五个师的兵力是藏在钱脑袋里的就象孙悟空身上的毛,不通过钱学森连他军委主席也调动不了。毛主席可以不把刘少奇、彭德怀放在眼里,但决不会不把钱放在眼里。试想,倘若彭德怀随时能调动四、五个师,毛还敢那样对待他吗?这也可以解释发生在钱身上的一些奇怪现象,例如钱学森在1949年曾有过入美国国籍的意图,毛不可能不知道,这事放在他人身上就连写一张形式上的“悔过书”都要出事,钱却安然无恙。当然,另一个因素是时候未到,正如解放战争抗美援朝时期的“彭大将军”,即使有点把柄甚至儿子被炸死,毛也忍着了。我们设想一下,倘若毛主席实现宏图,把美国解放、把世界革命搞成功了,他将如何对待钱?他会大度地不计较钱的历史吗?他会破天荒容忍身边放着不能亲自调动的四、五个师吗?刘少奇、彭德怀等无数事例告诉我们,大概不会。

为什么毛主席权力如此之大还不安心?没有民主制度约束,权力可能变成法律,权力越大法律等级越高。毛主席权力最大,因此毛的意图往往就形成中国的王法,按林彪所言必须“听毛主席的话,读毛主席的书,按毛主席的指示办事”。然而问题来了,由于毛的意图、讲的话、写的书、发的指示前前后后多得谁也搞不清楚,不可能真如法律条文那么严密、不发生矛盾,人们很难遵守这样随意的法律,结果从毛主席看下去,违法乱纪现象层出不穷,有时还非常严重,根本没有办法叫他放下心来,于是毛感到话没人听了,到处都是水泼不进针插不进的独立王国,对付的办法只有一个,进一步扩大权力把冒尖的独立王国摧毁,结果又使法律更加复杂、更难遵守,形成一个正反馈。对毛泽东本人来说,其实也是一个悲剧,即使他本想做“天使”,在正反馈怪圈的作用下也一步步走向可恶的“上帝”了。

难道就没有任何可能打破毛主席的正反馈?一个可能实际上可以从钱学森开始。以毛主席搞的反右为例,我们不知道钱学森如何看待反右,但我们相信,他不会赞成用类似的麦卡锡手段整人折腾人,对这个如今连毛的继承者们都避之不及的运动,钱当初一定会有疑问。假如他一如在美国那样,能自由地展现自己的思想,反右一开始就公开提出质疑,以他的声望,那一定会在中国产生巨大的缓冲作用。他这样做,毛会不会马上也把他打成右派?毛可以毫不犹豫把手无寸铁的章伯钧、罗隆基打成右派,但不会毫不犹豫把钱学森打成右派,道理很简单,手中仅有枪杆子的毛主席在右派与导弹之间极可能选择导弹,而钱不但是导弹,还是原子弹、氢弹。当然,这个可能性是百分之八十还是九十,那就要看“上帝”的情绪了。因此,假如钱学森对反右提出异议,毛主席极可能网开一面。我们这个估计有事实依据,钱学森曾在1970年8月召开的中共九届二中全会上,首先建议在宪法中增加毛是国家主席,林彪是国家副主席的条款,发言被写进会议简报。不料这份简报第二天就被毛说成是“反革命简报”,开始痛批陈伯达等人,从此爆发毛与林彪的最后斗争。而第一个放炮的钱学森,毛却放他一马,直到林彪事件结束,毛也没有秋后算帐。好了,一旦毛对钱的反右异议网开一面,那自然会鼓舞人们的勇气、引起人们的共鸣、呼唤出更多的林昭式人物,从中央官员到大学生到社会各阶层就可能出现强烈的无法漠视的反对意见,滚出一个个雪球,到这个时候,毛还能把反右搞成现在看到的那个程度吗?可能不会。没有那个反右,就不会有疯狂的大跃进,也就可能避免那场令人无比痛心的千万人饿死的大惨剧了!

钱学森当然没有那么做,我们也没有权利要求他那么做,因为,万一毛主席一怒之下做出反常举动,倾刻之间就会断送钱一家人的活路。钱在美国参加共产党碰到麦卡锡主义,大不了一走了之,还能去中国,但若触犯毛,那就无处可逃了。只有极少数勇敢的反叛者或天真的不识时务的人才敢发声,与钱学森一同留学美国的老同学、清华大学教授徐璋本就是这么一个异数。徐为了“在建设社会主义和向着理想的共产主义永无止境地迈进途中”,“使人类劳动在社会的持久的和平及繁荣中发挥其最高价值”,竟大胆倡议组织劳动党,这还得了,徐立即打成右派被抓进监狱,面对诸如此类残酷的事实,我们也没有理由希望钱学森出头。实际上钱学森做得比大多数人好,他私下在经济上接济陷于困境的徐的家属,又一次让我们看到他的同情心。可是他连这么微薄的自由也没有了,他的接济行为被人发现,为摆脱麻烦钱学森不得不写出深刻检讨。钱学森没有别的退路了,为了得到安全,他一定要保住自已的地位,他必须做出与所赐权力相配的举动,特别作为中国科技一号人物,他不能沉默,权力已经自动取消他的沉默自由,他必须为毛主席、为毛的继承者们、为中国共产党,领唱出科学的歌声。在这样一个缺乏自由缺乏民主的社会中,我们看不到冯•卡门、看不到杜布里奇、看不到金波尔、看不到Marble、看不到真诚、善良及美好的自由人的天性,而那个我们在美国看到的生气勃勃的钱学森,也渐渐消失得无影无踪了。
(2009.12.10)

光明的心灵——关于高锟的一点遐想

2009年10月23日

高锟得诺贝尔奖、高锟有痴呆症,两个消息几乎是同时传来,让人喜悲交加,感叹不已。这使我们想起同样获诺贝尔奖的纳什,纳什正在年轻有为做出最高水平的成果时竟然突发精神分裂症,一病长达三十年。直到最后幸运才珊珊降临,在妻子的百折不挠努力下,纳什渐渐恢复,当他1994年走上诺贝尔奖演讲台时,我们听到的是一篇动人的演说。奥斯卡奖电影《美丽的心灵》讲的就是这个故事,让我们看到两颗相辉映的美丽心灵。现在,我们也希望奇迹能发生在高锟身上,期盼他在十二月那个万众瞩目的时刻病情有所缓解,走上领奖台感受一下人们的欢呼。奇迹是可能发生的,因为高锟与纳什同样幸运,也有一位好妻子,我们业已看到她那心灵发出的光明。

人们感叹说,如果高锟早一年获诺贝尔奖就好了!早一年得奖,他心智还比较清楚可以尽情享受那应得的荣誉。从高锟的工作来看完全没有问题。诺贝尔奖评审团提出的高锟得奖理由:他开创的光纤中光传播的工作,给世界带来宽带通讯的新时代,文字、图象、音乐、电影瞬间传遍全球,这在一年前就是公认的事实。我们相信高锟的名字早就在诺贝尔奖评审机构的档案里了。为什么去年不奖?应该是那几位评审人员权衡的结果。去年也是三人得奖,是理论物理方面的研究,不可能把其中一人換为高锟。再说高锟的工作,发现光纤的特别光学性质,主要意义还在巨大应用价值上,把它与应用广泛的CCD传感器并列授奖,是经过一番考虑的。我们就是当真能把历史拨回一年,也依旧是那三个日裔或日本人获奖。遐想是人之常情,我们不妨继续遐想一下,还有没有其它的“如果……”,可能使高锟在心智比较清楚的时候登上诺贝尔奖台?

这就要谈谈痴呆症了。记得美国前总统里根也是此病患者。痴呆症是什么原因引起的?现在尚无准确的答案。一般认为与遗传、年龄、生活方式、精神状态、其它疾病诱发等因素有关。从个人来讲,遗传、年龄无法控制,其它疾病诱发也很难预料,只有生活方式、精神状态两项可以主动改变。什么生活方式能预防或推迟痴呆症?说法很多,如忌烟酒、运动、交友、培养兴趣直到多吃水果等,这些本来就是良好的生活方式,管不管痴呆症我们都应该实行。精神状态方面,人总有外界刺激,有的是正面的使人平和快乐,有的是负面的使人忧郁沮丧。如果长年经历负面刺激,心理压力很大,无论如何都会影响脑与神经系统的健康,加上遗传等因素,确有导致痴呆症的危险。因此,重要的一条,我们应该尽量避免负面刺激的伤害。

怎样避免负面刺激的伤害?简单的说,凡事看得开,保特宁静宽远的心态,退一步海阔天空……,诸如此类,都是众所周知的话,无非是想办法把负面刺激解脱,把它忘掉。办法不错,但如何才能真正做到?如里根,外界给他最多刺激的可能是在他那八年总统任内,当他一人担起领导美国的责任时,面对飞机被劫、大使馆遭恐怖袭击、美军官兵在大街上被炸死……,他能看开随它去吗?他能保特宁静宽远的心态吗?不可能的。他根本没有后退的空间,那怕一步。相反,他只能拼命向前,……出兵格林纳达、空袭利比亚,直捣卡扎菲指挥部……,在全世界掀起一场风暴。我们可以想象,面对这些事件,里根的脑海里也一样掀起风暴,给他造成巨大的心理压力。身为总统是没有办法把这些迎面扑来的东西放在一边的,除非历史重启一遍,“如果”里根当初没有竞选总统,那就不会有那些刺激了。重启历史当然是不可能的事,甚至里根本人在心智清楚时大概也不愿历史重启,因为他可能一直为担任过美国总统感到自豪与幸福呢!这不过是我们的遐想,遐想也可以是一种“理想实验”,可能给人带来一点启示。如果一个人已知家族有遗传性痴呆疾病,又希望预防或推迟痴呆症,记住,最好莫当总统。

高锟没有当过总统,但做过校长,他在1987到1996的九年间担任香港中文大学校长。高锟对中大学术建设上的贡献一定极多,这是让他自豪、高兴的一面。但另一方面,那是一段特殊的历史时期,前有北京六四事件,军队血腥镇压学生,后有香港即将回归大陆,从殖民者手中转移到专制政权爪下。在这种背景下香港发生了许多事件,中大也不例外,作为校长,高锟首当其冲。我们来看一个代表性的事件。

1993年3月高锟与董建华、霍英东等亲北京的“爱国商人”一起被委任为所谓的“港事顾问”。这事有点幽默,高锟父亲高老先生在大陆解放前举家离开居住多年的上海迁往香港,真是英明、毅然之举,这才使高锟得以自由发展直到收获诺贝尔奖。如果高老先生看到四十多年后儿子又“事”北京,黄鹤一去忽复返,不知作何感想?这个消息自然引起中大学生的骚动,下面是一位当事人在悉知高锟获诺贝尔奖后所作的回忆:

“当时港事顾问被视为北京为了对抗末代港督彭定康而推出的统战工具、政治花瓶,因此,消息公布之后,中大学生群情汹涌,在一个高锟应邀出席的学生公开论坛当中,出现了千人云集烽火台,把会场包围得水泄不通的场面,质疑他的声音此起彼落,群情鼓噪。学生会会长更递上纸制传声筒,讽刺他甘为中方传话人。翌日,50多名港顾上京接受委任,来自中大、浸会、树仁及岭南的学生到启德机场抗议,手持「反对为虎作伥」的标语在大堂内绕场游行,并演街头讽刺剧。

……但更严重的对立,还在后面。同年10月,中大30周年校庆,举办了盛大的「开放日」来庆祝。当时学生组织最恨歌舞升平,于是便执意要与校方对覑干。在开放日那天,中大不单喜气洋洋,更加冠盖云集,正当高锟校长要当众致辞的时候,冷不防被激进的学生冲上主礼台,在众多嘉宾、家长、同学,以及校友的众目睽睽之下,誓要抢走校长手中的「咪」(可能指话筒——笔者注),以表达另类声音,更拉开「两日虚假景象,掩饰中大衰相」的横额,结果令台上乱作一团,扰攘达数分钟之久,令人觉得中大丢尽面子。学生又即场游行和派发内藏传单的避孕袋,讽刺大学生形象,极尽挑衅的能事。”(均引自蔡子强《高錕校長的故事——大學就是包容》)

当然,这局面比反右、文革等折磨人的运动“好”多了,人没有肌体之苦,但高锟可能是第一次面对这种冲击,怎么会不造成极大的精神刺激?现在大家都知道,高锟的痴呆症有遗传因素,我们不清楚在中大的那些刺激会给他带来多大的后果,然而,对一个已知先天不足的人,无论如何不应该让他暴露在那些激烈的刺激中。我们想,“如果”高锟没有去做中大校长,今年他照样能拿诺贝尔奖,不当校长不就少了许多刺激!他的心智状态也许比现在好一些,甚至可能象纳什那样走上讲台,一样给我们做动人的演说。

高锟毕竟是高锟,人可统战,心难掳掠。当高锟在上述情况下被迫走下大会礼台时,一位记者问他,校方会否惩罚学生,高锟一脸诧异的说,“惩罚﹖我为什么要惩罚学生﹖”,让我们最终看到一颗光明的心灵。(2009.10.22)

中国如何创新?

2009年10月1日

杨振宁先生讲的话往往比较特别。例如他说,创新有爱因斯坦、杜甫、比尔•盖茨、任天堂式四种类型,中国现在需要的是后两种人,因为“中国现在的任务还是快速脱贫”。杨先生当然是指全体中国人如何脱贫致富,意图很好,但看上去还是有问题。

我们如果从“行当”看,爱因斯坦创新在科学上,杜甫创新在文化上,比尔•盖茨创新在技术与商业的结合上,任天堂创新在娱乐、技术、商业的三结合上,他们并未穷尽所有的行当。不同的行当可能有不同的创新类型,足球名将貝利是足球创新的代表,歌王杰克逊是歌唱创新的代表……。而中国脱贫事关十几亿人,涉及所有的行当,特别是社会事务管理的行当,应该需要各种各样不同类型的创新。

也许杨先生是用爱因斯坦、杜甫、比尔•盖茨、任天堂来代表四种不同的人的风格。但风格也不止四种,打开三国演义,刘关张挑园三结义,既生瑜何生亮,五个人五种风格,每种风格都可能产生独有的创新。杨先生崇敬毛主席,毛泽东血打一片江山,属于哪种“创新”?是“比尔•盖茨”?不是。是“任天堂”?不是。是“杜甫”?也不是。是“爱因斯坦”?更不是。大概没有人会说,因为毛搞过两场革命,爱因斯坦做了两次物理学革命,所以他们有相似的风格。

杨先生的话,实际上牵涉到这样一个问题:哪种“创新”人材能夠真正完成中国快速脱贫的任务?显然,比尔•盖茨、“任天堂”都不可能成为人选。我们知道,比尔•盖茨是在美国的已经富裕的社会环境中起步成长、从而获得巨额利润的。任天堂也是在日本比较富裕、法制健全的基础上转型成功赚了大钱。比尔•盖茨或“任天堂”能在非洲贫国产生出来吗?你就是硬把他们搬到非洲他们也不会成功。中国虽然比非洲贫国条件好,但杨先生言下之意,中国尚待解决脱贫问题,就表明中国也没有好到能生长出比尔•盖茨或“任天堂”的地步,更没有好到任由他们自由发展的地步。在这种情况下,希望出现比尔•盖茨或“任天堂”来解决“快速脱贫”等于是一个空想。

三百六十行,隔行如隔山,要找到我们所需要的“创新”,还得从具体的“行当”入手。杨先生说的“行当”为何?具体说就是实现中国快速脱贫。

此事是有人做过的,世界上许多国家经历过“快速脱贫”阶段,在这一“行当”中并不乏“创新”的代表。美国、德国、日本等举国致富的历史离我们也许比较远了,上世纪七十年代“亚洲四小龙”经济起飞的故事一定记忆犹新。“四小龙”中有两个华人社会:新加坡和台湾。新加坡似乎只让我们看到一个代表人物——李光耀;而离我们最近的台湾,则可以列出一串名单:徐庆钟、陈诚、蒋经国、孙运璿……。如果我们在这些人中找一个或两个“创新”的代表,那自然比比尔•盖茨或“任天堂”要适合中国的情况。

中国尽管尚未脱贫,但也有人作出努力如赵紫阳、胡耀邦、邓小平……。如果给他们时间和条件,其中某位也许能成就“中国快速脱贫”大业。我们宽容一点,不光看成败,不妨也把他们看成可能的“创新”的代表。

我们终于找到这么一些候选人物:赵紫阳、胡耀邦、、邓小平、徐庆钟、陈诚、蒋经国、孙运璿、李光耀……。现在的问题是,我们如何在他们之中选出一到两位来代替比尔•盖茨与“任天堂”呢?

这就要看我们每个人所希望所需要的“创新”风格了?这就要看他们的“创新”风格受到多少人欢迎了?有一点可以肯定,喜欢毛主席那种风格的人如今不会占多数了。

因为“中国快速脱贫”事关每一个中国人的利益,理应让每个中国人站出来表态。最好最公平最简单的办法是一人一票从“赵紫阳”、“胡耀邦”、“邓小平”、“徐庆钟”、“陈诚”、“蒋经国”、“孙运璿”、“李光耀”……中选出受欢迎最多的人,让这种人带领全体中国人实现“快速脱贫”。

当每个人心中都有一个所希望所需要的“创新”风格时,当每个人都可以站出来举手表态时,我们又何必去选外国人或已经逝去的人呢?我们为什么不让全中国人民直接选出活“赵紫阳”、新“蒋经国”、中国“李光耀”……呢?我们有权利这样做!没有任何理由不让人们这样做!

也许在这一过程中突然涌现出一个或几个新名字、新人,他们会给我们带来更好的出乎意料的“创新”,就象杨先生在他的专业工作上做的那样,引领出各行各业的无数的创新,不但使全中国“快速脱贫”、而且“均富”、“自由”、“民主”、“文明”……,让中国与世界先进国家并肩而立。
(2009年10月1日改)

考察消逝的历史——伽利略在哪里做落体实验?

2009年8月13日

伽俐略说过,他做过多次自由落体实验。奇怪的是他没有透露试验的地点,我们不知道都是在哪里做的?这看起来象伽俐略“有意”留下的一个谜。伽俐略最后的学生维维亚尼描述的伽俐略在比萨斜塔做落体实验的情景,流传很广却没有其它记载佐证。作为实验物理的奠基人,伽俐略无疑是勤于动手的人,他一听到荷兰人发明望远镜的消息马上动手自制望远镜,接着举起镜筒对准天空,以一人之力打开现代天文学的大门,就是一个证明。然而,伽俐略写东西不愿多写一句,如果他记述落体实验时带一笔地点,相关的疑问便不存在了。

我们看一个例子,伽俐略提到,有一次落体实验是在200肘尺高处做的,不写地点也不写做的人是谁?所谓高处在意大利不外是教堂钟楼或城市市政庁塔楼,这两种楼都造得很高。落体实验做起来并不难,只要找到一个适当的高楼,上下两个人就能做,甚至通过听重物落地声(例如在地上铺一层木板加强声响又保护地面),一个人都可以做。一般说的高楼高度是包括楼顶建筑如教堂尖顶或市政厅饰物在内,但只有在平台上才能站人去做实验,所以200肘尺应指高楼的适合进行落体实验的最高平台高度。一肘尺约43到56厘米,200肘尺合86到112米。如此高的楼台在四百多年前的意大利可不是到处有的,按照伽俐略的个性,放着如此好的地方岂能不去动手?伽俐略在介绍他的思想实验时称“无需去做落体实验”,那是讲给别人听的,无非表示对自己推理很有把握而已,有实验的机会他还是不会放过。

既然落体实验是在教堂钟楼或市政庁塔楼做的,我们可以推测一下伽俐略不提人名及地点的原因了。因为牵涉到教堂、市政庁这类权势地方,不说思想上观念上差异的问题,光是讲明要从楼上扔下一、二百磅炮弹那样的重物,他们会允许吗?如果伽俐略找到机会或者通过一些关系登楼做了实验,自然就不去提具体人名地点之类事了。由于落体实验简单,从上落下不过四、五秒钟,伽俐略完全有可能不惊动教堂、市政庁主事者就把它做了。看热闹的人总是有的,看完也就散了。

推测好比“思想实验”,大多只能作为参考,我们再“实验”一个“行”的办法。我们能不能通过遗迹的考察看到消逝的历史?比如,四百多年前的200肘尺高的楼台应该还在,我们为何不去意大利寻找?如果我们走遍每一座200肘尺高的古楼台,察看场地,调查它们的数据及地理位置,我们就可能发现伽俐略说的是哪座高楼了!不知道有没有人做过这件事?特别是意大利人,他们条件最好。现在,让我们先尝试一下,在网上做一个“探楼之旅”,看看能得到什么?

我们要找的那座高楼,它的最高平台高200肘尺,至少86米。高楼最高平台的高度数据可能要到现场才能取得,网上查到的都是整楼即包括顶部建筑在内的高度。意大利现有在86米以上的古代钟楼或塔楼13座。按高度排名,第一高的是112米的克雷莫纳钟楼(Torrazzo di Cremona, Cremona):
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最低的是排名十三的86米高的帕力什教区(Termeno)钟楼(Campanile della Parrocchiale,Termeno(BZ)):
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我们观察帕力什钟楼,除去尖顶部分,最高层平台低于86米很多,不符合要求。因此,这座钟楼不是伽俐略说的那个实验的地点。我们可以在以下七座高楼观察到同样的情况,最高平台高度不合要求:

排名第二、106米高的圣彼得教堂钟楼(Campanile di San Pietro,Alessandria):
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排名第五、99米高的圣马可教堂钟楼(Campanile di San Marco,Venezia):
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排名第七、97高米的帕力什教区(Silandro)钟楼(Campanile della Parrocchiale,Silandro):
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排名第八、96米高的圣尼科洛钟楼(Campanile di San Nicolò,Lecco):
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排名第十、90米高的布雷冈泽钟楼(Campanile di Breganze,Breganze):
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排名第十一、87米高的圣尼科洛钟楼(Campanile del Duomo di San Nicolò,Merano):
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排名第十二、86.1米高的基兰迪纳钟楼(Ghirlandina,Modena):
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其中排名第二的圣彼得教堂钟楼可能看不清楚,我们再看另一张图:
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尖顶及楼柱都造得太高,平台高度显然差200肘尺很多。

现在剩下排名第一、第三、第四、第六、第九的五座高楼,我们一一考察。首先看排名第一的克雷莫纳钟楼(Torrazzo di Cremona, Cremona):
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虽然平台高度够,但钟楼墙面是个喇叭形的四面锥体,越到下面张得越大,重物掉下可能撞到墙上,不适合进行落体实验。另外,克雷莫纳教堂所在地Cremona与伽俐略活动地区佛罗伦萨、比萨一带相距200公里以上,伽俐略大概也不会跑这么远去做落体实验。

排名第四、101米高的的圣索菲亚教堂钟楼(Campanile del Duomo di Santa Sofia,Lendinara(RO)):
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最高一层平台高度看上去不到86米。即便假定相差不多,还是有两点不适合。一是最高平台缩进去,放重物下去不方便(这也许可以做一个简单的伸出去的架子加以解决)。二是底部锥面摊得很开,重物掉下去可能撞到,与最高的克雷莫纳钟楼一样,此钟楼也不适合做落体实验。

再看排名第六、97.2米高的阿西內利和葛利森达双塔(Torri degi Asinelli e Garisenda,Bologna):
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很明显,墙面及底部形状都不适合做落体实验。

还剩下两座高楼,一是排名第三、102米高的曼加塔(Torre del Mangia,Siena):
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这是意大利著名古城锡耶纳(Siena)的市政厅塔楼,楼台高度有86米,1325到1344年间建造。注意左边地面是一块空地(右边在建筑物内可能也有一块空的地面),墙面略斜但平台突出,不影响落体实验。锡耶纳离佛罗伦萨五十公里,离伽俐略当时的活动区域也不算太远。

我们同时看最后的排名第九、高94米、1299年建造的佛罗伦萨市政厅維琪奧宫塔楼(Torre di Palazzo Vecchio,Firenze):
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楼顶有缩进的平台,估计缩进一到两米。能不能站在楼顶上直接或通过一个架子往地面放重物?可能要到现场才能判断。楼顶下一层平台与86米也相差不多,很适合进行落体实验。而且这个塔楼就在佛罗伦萨,对伽俐略十分方便。

我们小结一下“探楼之旅”的结果:那个做落体实验的200肘尺高处,不是佛罗伦萨的維琪奧宫塔楼就是锡耶纳的曼加塔。两个高楼都在伽俐略当年的活动区域内,这个巧合提示出:实验者正是伽俐略。

更使我们感兴趣的是伽俐略提到的另一次在100肘尺高处做的自由落体实验,那又是在哪里?

100肘尺合43到56米,这恰好符合大名鼎鼎的比萨斜塔的高度!比萨斜塔是比萨大教堂的钟楼,1173到1350年间建造,从地面到塔顶高55米,从地面到第八层平台(即塔顶下面一层的平台)高47米:
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站在55米高的塔顶从倾出最大的一点伸开手放重物,重物降落时会不会受到阻挡?这要去现场测试才能知道。然而,即便从高47米的第八层平台做实验也足够100肘尺高了!

面对比萨斜塔,我们不必再去寻找意大利其它的数目甚多的100肘尺古代高楼了,不要说400多年前,就是今天,也很难找到比这个比萨斜塔更理想的做落体实验的地方了!我们可以想象,伽俐略站在斜塔上放下重物,又轻松又清楚地俯看它们几乎同时落地,会是何等的兴奋啊!
(2009.08.08)