熵增与宇宙生命(王晋康)

[吴天准]

一位科学家说，科学的探索可以分为“合理的假设”和“轻狂的猜想”，而本文的内容比“轻狂的猜想”还要更狂一些。读者阅读时全当是做一次智力体操，不可
当成真的科学假说。先打一个预防针，下面开始正题。
罗素说，有史以来，科学所做的最可怕最阴郁的预言，就是热力学第二定律（熵增定律）所预言的宇宙末日。宇宙在不可违抗地走向热平衡，走向无序，走向寂
灭，人类所创造的辉煌业绩注定要在大死亡中归于灭绝，人类成就的整座殿堂将不可避免地被埋葬在宇宙的碎片之下。这个理论是如此无可争辩，以至于没有哪一
种反对它的哲学可望站住脚。
这个可怕的定律实际得之于最普通的物理现象：任何比环境温度高的物体，都会把热量向低温环境散发，直到系统内温度平衡。如果没有外界能流的引入，绝不会
出现热量重新富集的反向过程。所以，所有的恒星终将熄灭，宇宙中不再有能量的流动，因而不可避免地走向无序（信息流与能量流密不可分，这其实是电脑发热
的最本质的解释）。
从上中学物理课时我就领悟到了熵增的威力。它太雄辩太明晰了，任谁也无法用逻辑来推翻它的可怕预言。不过，这个定律总是给人一种不舒服的感觉。因为，除
它之外的所有物理学定律都能在时间轴上反演，物理学家艾米·诺特尔曾指出，能量之所以守恒，其实质原因就是因为物理定律关于时间对称。但熵增不可逆定律
在时间对称性上撕了一个很大的缺口。尤其令人不安的是，把熵增定律应用于我们这个至今存在的宇宙，就必然得出一个结论：它是从一个很特殊的、高度负熵的
状态下开始的。这个特殊的负熵状态从哪儿来？只有一个说得通的来源：上帝。
物理学家们当然不愿让上帝复辟。但他们都信仰真理的普适性，如果不得不承认我们的世界来源于一个非常特殊非常偶然的状态，那和相信上帝有什么不同呢。
后来我从一些课外读物上知道了自组织定律，那时的中学物理不讲它的，我至今不明白，如此重要的定律为什么竟然上不了中学课本。自组织的一个典型例证是别
洛索夫――扎鲍京斯基反应，几种化学溶液掺混之后就会自动产生非常美丽的、周期性变化的花纹（但必须保持溶液的倾倒）。从酒瓶里往外倒啤酒时的咕嘟声也
是一种自组织现象。这些小杂耍似的发现之所以重要，是因为这些“组织化”完全是由内部原因产生，并没有一个外来的设计者或管理者。
以上只是自组织现象的很小的范例，其实，这种现象渗透到宇宙的每一个角落每一个时刻，自组织定律是与熵增定律同等重要的两大定律之一，一个管宇宙的死，
一个管宇宙的生。
从宇宙肇始，自组织就登台了。宇宙爆炸，变成一锅高温的均匀的粒子汤。我们不知道在大爆炸“最早的瞬间”所产生的“最原始的粒子”是什么，或者说，根本
不存在什么最基本的粒子，在能量向粒子转换的边界，可能是能量和物质的共存，是一种模糊状态。但为了叙述方便起见，我们就称它为“原始粒子”吧。原始粒
子非常均匀，按照熵增定律，它应该在宇宙向外膨胀是变得稀薄而更加均匀，绝不会产生物质富集的现象。但是，当熵增开始耀武扬威时，宇宙大舞台上的又一个
主角—— 力——同时出场了。我们已经知道宇宙中有四种力：强力，弱力，电磁力和引力，比较公认的说法是，四种力其实只是一种，在大爆炸的极端状态它们
会合而为一，在更深的层面应该表现为其它力。不过力的具体组成与本文中的观点并无关系，反正有力就行了。力使原始粒子互相结合，经过尚未知晓的某种粒子
层面，再结合成六种夸克，再结合成轻子强子介子，再结合为丰度为3：1的氢氦原子。在这些过程中，强力、弱力和电磁力都起了作用，但引力尚未走上前
台。
物理学家已经能用公式精确地描述这些粒子的生成过程，但好像没见到谁指出，它们实际是熵增的逆过程。因为，按照爱因斯坦的质能公式，任何物质微粒的形成
都是能量的富集和组织化，与“热平衡”和“无序”相逆。也就是说，在宇宙大爆炸的最初的“滴答”内，熵增和熵减就已经开始同时存在、并行不悖了。
在宇观层面，轮上引力出场了。若按照熵增定律，早期宇宙中的氢氦原子只会日渐混合均匀，并在膨胀过程中变得稀薄，而不会出现质量富集的趋势。但引力却与
熵增定律唱对台戏，当原子汤因量子效应出现偶然的涨落时，引力会使其产生雪崩效应，进而聚集成星云，星云中产生星体，星体生长，直到引发核反应，于是，
在局部地区的 “高能态”产生了，并造就了此区域的能量流(这些能量实际来源于微观层面的能量富集化)。请注意，从宇观上说，宇宙仍保持熵增的方向，宇
观的熵增与小区域的熵减并行不悖。
星系小系统内也同样有熵增过程，恒星的热量向空间传播，向热平衡的方向前进；但在另外的层面，熵减过程也在不停息地进行。行星从星云中诞生，行星上产生
了岩石圈、大气、河流、季风、泉水、矿藏，这些都是组织化的过程，是对无序的反抗。这种有序化、组织化进程的顶峰，便是生命的产生：DNA团块、单细胞
生物、多细胞生物、植物和动物，一直到最精巧的组织化结构——人类。像熵增一样，自组织也是一个无尽的不可违抗的过程，它从宇宙爆炸开始，并一直延续到
宇宙末日。而它得以进行的因素是力。不同的力在不同的层面上起作用，比如，原始粒子的生成是强力和弱力的功劳；在我们处身其中的环境里是电磁力在变戏
法，它造就了生命结构和金木水火土；而在宇观范围内是引力在起作用，它造就了星体和黑洞。天行者卢克的老师尤达大师曾把“力”作为对抗黑暗的唯一力量，
他真是一个伟大的科学家，道出了大自然的本质。
其实，“自组织”有一个更恰当的名称：生命化。这儿的“生命”一词是广义的。宇宙大爆炸的浓汤里生出来无数一模一样的粒子（夸克、重子、轻子等），然后
是原子“自发的复制”，再生出模样相同的星云和星体；云朵中生出一模一样的六角形的雪花；在金伯利岩脉中生出结构相同的钻石……这些全都是自然界的“生
育”啊。有人说，生物生命何等精巧何等神秘，现在把“生命化”拿来定义夸克、强子、原子、星体等“非生命体”的生成，未免不伦不类。不，这个定义的推广
绝不牵强，它们的本质是一致的。生物生命从何而来？首先是原始海洋中的各种原子因电磁力的作用而发生自组织，生成有机物，有机物的自组织又生成第一个能
自我复制的DNA或RNA……即使今天生物的繁衍，比如DNA双股的分解和复制，从物理层面上说仍是在电磁力作用下的自组织过程。
当然，生物与非生物还是有分别的，生物生命是高等的自组织，需要一个复杂的模板，而这种模板来之于自然界长期演化中一个难得的机缘。所以我们可以相当武
断地肯定，人马座的外星人与我们绝不会相同，因为由“机缘”得出的生物模板不可能雷同；而人马座的雪花却必然是同样的六角，因为雪花的“生育”不需要特
殊的模板。还有一点不同是，生物生命中的自组织只和电磁力有关，而粒子、星体等的自组织与强力、弱力、电磁力和引力有关。
不管怎么说，它们的本质是一样的，都是与熵增相逆的、由“力”引发的自组织。宇宙的生命化贯串宇宙的始终，而我们平常所说的“生命”只不过是宇宙生命的
一根分枝一个阶段罢了。
自打宇宙肇始，熵增和生命化两个相逆的过程就同时存在，并行不悖，互相缠绕，多层渗透。一边是热平衡、均匀化、无序；一边是能量和质量富集、组织化或有
序化。而两者的综合则是一个零熵的世界。
这么一来，物理学家也可以安心了。原来，我们的宇宙并不是肇始于一个很特殊的负熵状态，而是非常普通的一个零熵的“点”。由于量子世界的偶然涨落，这个
点爆炸了，从空无一物中产生了能量和负能量，正物质与反物质，有序与无序，熵增与生命化。宇宙是从零熵开始，以零熵延续，也将以零熵结束。在这种理论结
构中，所有物理定律相对于时间轴都是可以反演的，物理学家的心腹之患，那个不可逆的时间之箭，在这儿被轻松化解了。
不过，这会儿说出这个结论未免早了一点儿――我们还没考虑宇宙的结局呢。自打宇宙爆炸假说得到基本证实（最主要的证据是星系红移和宇宙背景幅射温度），
宇宙有灭亡也就没人怀疑了，有生就有死，有死就有生，尽管对它是亡于无限的膨胀还是亡于向内塌缩还在争论。那么，在宇宙灭亡的时刻，熵增与生命化两种力
量又是如何角力呢。
我们先考虑那种向内塌缩的结局，整个宇宙将塌缩成一个超级黑洞，一个死亡之洞。黑洞是个绝顶贪婪的家伙，吃骨头不吐渣，所有进入黑洞的物质都再无出头之
日。黑洞无毛，黑洞是绝对的高熵（熵值与黑洞表面积成正比）。“熵增”在这儿达到了极致。那么，在这个大过程中，哪是逆向而行的宇宙生命化？原来它也并
存在这个死亡之洞里。恰恰在这里，宇宙的质量（能量）富集化、或曰组织化过程也达到了极致，因而为下一次大爆发作好了准备。黑洞是宇宙的终结，但也是生
命化的巅峰。有人可能认为这个说法太拗口，黑洞也是宇宙生命化的一部分？对，是的。它是由引力所造成的极端的自组织，也是与熵增过程背道而驰的。
关于黑洞的未来尚无定论，也许它会逐渐蒸发，通过量子效应把能量还给环境，最终变回一个普通的“空间点”；也许它会通过蛀洞与其它宇宙相连，在那儿表现
为一个白洞；也许它会在塌缩的某一时刻反弹，产生大爆炸（关于大爆炸的前景毕竟有一个现成的实证――我们的宇宙就肯定产生于大爆炸）。不管是哪种结局，
反正它所在的宇宙会保持一个总体的零熵状态。
不过科学家们说，宇宙不一定亡于向内塌缩，更可能亡于“无限膨胀”。“零熵”机制并不排除这种可能，只是要求：在建造 “宇宙无限膨胀”的构架时，必须
仍有熵增和生命化两个相逆的过程，让熵的总和继续为零，否则这个理论就是错的。这就像是把宇宙看成一个多级齿轮箱，我们可以进行力的计算，一步步算出其
输出扭矩和速度；也可以根本不管其内部结构，单用能量守恒定律就能验算其输出值是否正确。
目光敏锐的读者会发现，在本文中虽然讲述了“熵增”和“生命化”两个相逆的过程，但并未做量化的论述，怎么就贸然得出“熵的总和为零”这个结论？这个质
疑很对。笔者是个科幻作家而不是科学家，科幻作家可以天马行空，凭着直觉，省去中间过程而直接得出结论。至于这个结论是否正确，交给有兴趣的科学家去论
证好了。造物主似乎偏爱守恒，有能量守恒，质量守恒，动量守恒，动量矩守恒，正负电荷守恒，CPT守恒，如此等等。过去的理论中，只有熵不守恒，正反物
质不守恒和宇称不守恒。现在，咱们试着让其中一个浪子改邪归正了，这比较符合人们的直觉，符合人们的感情。至于其它两个浪子能否回头，且拭目以待吧（已
经有科学家怀疑，在更深的层面里宇称是守恒的）。