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欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?
来源:北大汇丰EMBA | 作者:欧阳良宜 | 2024/2/19 21:43:00 | 浏览:550 | 评论:0

欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

生命是一个奇迹,我们能够来到这个世界更是奇迹中的奇迹。我们没有理由不珍惜这短短的几十年。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

欧阳良宜

北京大学汇丰商学院副院长

EMBA项目主任

我们看到的世界是什么?

自神话时代以来,世界起源始终是困扰人类思考者的核心问题。古代中国的盘古开天辟地流传甚广。这也形成了中国人天圆地方的世界观。阴阳五行说认为,相生相克的金木水火土是构成物质的基本元素。时至今日,这种宇宙观依然影响着许多中国成年人。


九年制义务教育则教授了我们现代科学的基本结论。这个世界本质上是一个乐高积木的结构。欧洲科学家发现气体是由分子组成的,而分子则是由原子组成的。在古希腊语中,原子的本意是“不可切分的”。门捷列夫在前人发现的基础上制作了元素周期表,并预言了当时尚未发现的新元素性质和原子量。人们第一次发现,原来这个世界是微观粒子按照确定的数学规律堆叠而成的。


原子并非是构成世界的最基础结构。粒子物理学家持续地用高能量轰击原子核,发现它是由更小的物质构成的。现在“已知”构成世界的基本粒子可以分为两大类:费米子和玻色子。前者是物质的结构单元,组合构成了原子的基本成分,包括质子、中子和电子等等;后者则负责传递四种自然基本力(引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力)。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

可以预见,如果我们用更大的能量去轰击费米子(如夸克),也许能发现更微观的结构。只是我们现在并不具备这样的技术能力。就目前已知的事实而言,基本粒子并不具有数学应有的简洁美。譬如,质子的质量是电子的1836倍。为何不是100,1000或者1800倍?也许未来物理学家们会给我们终极的答案。“道生一,一生三,三生万物”应该是这个世界本源的逻辑。


我们现在确知的事实是,“我们”本质上是一堆基本粒子堆叠而成的复杂系统。构成人体的原子数量级约为1027,而构成这些原子的夸克和电子数量级约为1029个。一个听起来令人感慨的事实是,这些基本粒子自138亿年前宇宙诞生时便已经存在,只是在这短短的数十年内因缘际会构成了你。在你这个复杂系统化为一抔黃土之后,它们又会作为基本粒子参与到其它系统的构成。


为什么我们是非常幸运的存在?

我们已知的118种基本化学元素中,人体必需的只有21种。其中氢氧碳氮四大元素占了人体质量的96%。我们都知道,人体大约70%质量是水(氧化氢)构成的,所以氢(10.0%)氧(61.4%)元素合计占人体71.4%的比例并不奇怪。一个冷知识是,大脑含水量至少要达到75%。低于这个比例大脑便会出现认知障碍。所以脑子进了水是常态,不进水的脑子是无法思考的。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

我们通过感官或者延伸感官的仪器所能感受的物质(包括肉眼不可见的X射线之类)质量占已知宇宙总和的比例不到5%。占比68%的暗能量和占比27%的暗物质因为不会产生电磁力,即便我们身处其中也无法感知。而可观宇宙的元素构成中有74%是氢元素,24%左右是氦元素,剩下的元素占比不到2%。事实上,太阳的元素构成也大致如此。某种意义上来说,我们是这个宇宙的罕见物质。标准理论认为,构成我们的重元素源自第一代恒星爆炸时的核聚变。构成地球和我们的大部分成分都是当初被抛射出去的星际尘埃,幸运而渺小。


地球生命与非生命的最大区别是主要由氢氧碳氮四大元素组成的蛋白质。我小时候被“蛋白质”这个中文翻译所误导,以为就是鸡蛋白里的物质。实际上英文原文为Protein,源自希腊语Proteios,也即“第一重要”。蛋白质是所有地球生命的物质基础。与基本粒子堆叠成为元素类似,实现人体核心功能的蛋白质是由20种氨基酸组合而成。氨基酸则是由碱性氨基(NH2)和酸性羧基(COOH)组成的有机化合物。


我们DNA中的编码包含着氨基酸的排列规则。DNA是ATCG四种碱基组成的长链分子。每三个碱基的顺序排列代表一种氨基酸的编码。理论上可以有64(4的3次方)种氨基酸,但我们已知的氨基酸只有20种。这20种氨基酸的三维折叠方式决定了蛋白质的功能。不同结构和折叠方式形成了人体的几十万种蛋白质,如我们的血红蛋白、头发和指甲,以及各种酶。人体的DNA长度是30亿个碱基。本质上说,你我皆为3GB字节代码构建的一台生物机器。我们到现在还没有搞清楚这台机器的编译器——核糖体是如何产生的。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

地球所有已知的生物都采用同一种蛋白质编码方式。也许,大自然还尝试过其它生物机器的建造和编码方式,但在地球上并没有成功,譬如科幻小说经常提及的硅基生命。科学家们基本可以确定,所有生物都源自四十亿年前的某个共同祖先。它是一种比细菌和古菌还要古老的单细胞生物。可以想见,这个祖先并不孤独,应该属于某个种群。但是进化的竞争使得其它伙伴的子孙都灭绝了。幸运的是,在过去四十亿年中我们的所有祖先都留下了后代,成为进化竞争的胜利者。生命是一个奇迹,我们能够来到这个世界更是奇迹中的奇迹。我们没有理由不珍惜这短短的几十年。


你所忽视的常识

我们看到的世界只是大脑通过感官输入的信息构建的内部模型而已。或者说,我们只感受到影响宏观世界的两种力:引力和电磁力。我们大脑无法感知主宰原子核内部的强相互作用力和弱相互作用力。事实上,即便是宏观世界的许多事实,大脑都会帮我们忽略掉。


你读到这段文字时,同时也在以每秒30公里的高速随地球围绕太阳运动。而同时,地球本身在以每秒466米的速度自转。之所以我们没有被甩出去,是因为地球的引力抓住了我们。在更大的宏观尺度上,太阳只是拥有千亿颗恒星的银河系中非常普通的一颗。如果把银河系中心的黑洞视为市中心。我们大概处于城乡结合部,并且每2亿年绕市中心转一圈。事实上整个银河系也在运动。大概30-40亿年后,银河系这个宇宙中平平无奇的星系将会撞上仙女座,形成一个新的星系。这显然不是你我现在需要操心的事情。


我们所看到的光是光子与视网膜撞击产生的电信号。我们的触觉则是更有意思的现象。原子绝大部分的质量在原子核。如果把原子比喻成一个足球场,那么原子核的大小大概相当于一个硬币。既然如此,那为何我们由原子组成的手接触同样由原子组成的桌子时不会直接穿过去呢?那是因为原子核的电磁斥力造成的。本质上而言,压力和摩擦力都是电磁力。暗物质和暗能量没有电磁力作用。所以我们会直接穿过它们。我们所不能感知的95%宇宙质量真的是神奇的存在。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

我们之所以能够思考也是因为电磁力。我们所产生的每一个念头都是神经元放电的结果。人脑这个复杂系统由近千亿个神经元组成。如果我们缺乏电荷载体,包括钙离子、钠离子、钾离子和氯离子,那么脑子就转不动了。我们所谓的主观认知本质上也是基本粒子堆叠的复杂现象。我们想象出的世界可以光怪陆离,不符合物理规律,但我们想象出这个世界的过程却完完全全是物理规律管辖的电磁现象。


这个世界的本质到底是什么?

这个世界本质上是一个基本粒子堆叠而成的乐高结构。从还原论的视角来看,人类社会是由国家组成的。而国家可以拆解为更小的组织单元,如部落、族群、城市、公司和家庭,直到个人。如前所述,人体则是由21种元素1027个原子构成的复杂生命系统。我们可以推断,复杂系统,如人类社会和人体,必定服从主宰其基本部件运动的物理规律。


另一方面,复杂系统的运转规律是基本规律的组合,但是其复杂程度可能超过人类目前的算力推演极限。一个简单的例子是,尽管围棋基本规则极其简单,但是我们目前无法穷举所有可能的下法,也无法用确定的公式来描述围棋的最佳下法。人类社会的棋子可不只黑白两种。政治学规律和经济学规律必定是物理规律的组合,但是我们没办法用类似万有引力公式那样简洁的形式来描述政治和经济规律,尽管我们知道基本规律是必须被遵守的。


譬如,人都是要吃饭的,否则会饿死。那么,由人组成的城市和国家都必须持续地消耗粮食,无论是生产出来还是交换而来,否则这个实体最终的结果就是崩解。这背后的物理规律是热力学第二定律:封闭的系统只会出现熵增。没有外部能量输入的系统最终归于无序。古代中国朝代更迭的乱世往往恰逢低温,而我们所谓的盛世则往往是温度较高的年代。从物理角度来解释,原因是太阳投射能量变动导致封闭的农业社会系统在无序和有序之间摇摆。主导现代世界政治格局变化的重要因素也是能源。如果波斯湾没有石油(古生物固化的太阳能),那么中东冲突和非洲部落冲突一样只会引起人道主义关注,不会有如此复杂的大国博弈。


在更大的宏观尺度上,地球做为一个系统持续地从太阳接收能量,这才有了丰富多彩的地球生物圈。植物通过光合作用吸收太阳光能,而动物通过食用植物获取这部分能量。食物链每一个环节都在消耗来自太阳核聚变的能量。人类现在所能利用的绝大部份能源,包括太阳能和风能等“新能源”,都来自太阳核聚变的恩赐[1]。

 欧阳杂谈:这个世界的本质是什么?

一个细思恐极的问题是:这个宇宙做为一个封闭系统,最后也会归于无序吗?答案几乎是肯定的。大多数恒星耗尽燃料之后,会变为能量等级更低的天体(如红巨星),直至宇宙所有空间都进入温度均匀的死寂。但这需要极其漫长的万亿亿亿…年。《流浪地球》描绘的太阳变为红巨星并吞没地球的事件是必然的,但离现在起码有10亿年以上的时间。


整个世界本质上是一个服从质能守恒的系统,生生不息又不断幻灭。在漫长(其实也很短暂)的历史中,基本规律组合而成的复杂规则不断地折腾物质和能量,形成了现在我们所看到的宇宙。相互竞争的并非物质,而是规则组合。每年一次的中国高考,是1000多万个3GB基因编码之间的做题竞赛。文化竞争则在6万年前分道扬镳的智人后代对生活方式的不同主张。而这种生活方式(文化)的不同可能源自不同地理环境对那3GB基因编码的自然选择。


在人类把自己折腾消失之前,更多复杂规则组合会不断涌现。在人类消失以后,仍然会有复杂规则涌现,直至宇宙寂灭。演化历史告诉我们,大部分组合都是输家,只有少部分是赢家。我们就是宇宙在时间长河中成泛起的一个浪花,非常幸运又非常渺小。



【注释】

[1] 当然也有例外,如来自月亮引力的潮汐能和地球本身的地热能。

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