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布达佩斯俱乐部论坛新科学与新能源【道与量子真空零点场】 → 《全息隐能量场理论与新宇宙观》电子书推荐

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《全息隐能量场理论与新宇宙观》电子书推荐
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4 意识的显现

活跃的,可直接感知的意识经验流伴随着我们每个人的一生,它也是哲学争论和诗歌倾诉的永恒主题。在考虑这一现象时,我们就涉及到了科学上可以探索的问题的最远边界。尽管意识是我们的心灵最直接和最内在地感知到的东西,但更基本的问题——意识究竟是什么?却并不是容易回答的。

一直困扰哲学家和具有哲学倾向的科学家的明显事实是:像这种意识流应当与由组织、器官、骨骼和脑组成的身体有紧密联系,但脑和身体的这些部分由细胞组成,细胞又由分子和原子组成,而分子和原子并不显示出任何“有意识”的证据。组成脑和身体的分子和原子同其他的分子和原子没有什么差别。那么,是我们大脑中的神经元产生意识吗?亦或是仅仅与大脑相联系的精神或灵魂产生意识吗?

科学家经常持有的一种观点是,意识现象在某种意义上是在高度神秘组织起来的脑细胞的复杂相互作用中产生出来的。如果真是如此,那么问题就是,生理学上构成脑的灰色物质是怎么能够如此组织起来并有效地产生出意识?如果这样的组织是可能的,原则上我们就必须承认,由电子开关而不是由神经元构成的像计算机那样的人工系统也同样可以产生某种形式的意识。毕竟,组成计算机的电子开关也是以两种模式(开或关)工作的,它非常类似于脑中的神经元的工作方式:激活或不激活。神秘主义者,诗人和思辨哲学家所持的相反观点是,在人类大脑中存在着某种特殊的东西使之唯一地能够产生意识,这一观点已超出了自然科学的范围。科学家实在吃不准在脑中观察到的特定效应是否是由并非脑本身的某种东西产生出来的,只有通过观察和实验方法把大脑是如何运作的所有问题都弄清楚了或接近弄清楚了,才吃得准它。这一知识今天还没有得到,明天似乎也得不到,或许在可以预见的将来的任何时候也得不到。因此,对意识现象进行科学研究的工作假设是:意识现象在某种方式上与大脑中的神经功能相联系,而大脑明显的是身体的器官,所以任何渗透进大脑的意识都在身体内,并且都能同它进行相互作用。

4.1 通向意识的进化道路

用绝大多数科学家所信奉的自然主义的透视法,我们可以探索为什么人类产生意识的原因,这种意识赋予了我们祖先某种生存优势吗?若果真如此,意识就是被自然选择的,就如同海洋中的鱼有鳍和寒冷地区的动物有皮毛一样。

确实有证据显示,某些精神性的能力,比如智力,是长期进化的产物。

但有些研究者争辩说,智力的出现需要意识。很清楚,有些种类的智力信息处理过程得益于主体意识的存在,例如在评估不同的行为选择和策略时。正是由于这些能力,作为神经系统功能中的新要素的意识才被自然选择所赋予。

无论是否伴随着像人类意识之类的东西,非人类的物种被认为也具有智力。无疑,如果它们需要的话或有机会这么做的话,它们的智力还会进一步发展。鲸和海豚具有智力,但它们生活在比陆地物种更稳定和更友善的水环境中,因而海洋哺乳动物不需要进化出陆地哺乳动物的那种智力,后者需要能够对付直接环境的智力,因为在陆地背景下生存要求复杂的活动。水的利用和保持,自由能的不断获得和恒定温度的维持是保证复杂生物化学作用整体性的共同行为的必要功能,而陆地物种正依赖于这种生物化学作用。要保证在与生理上比其有更高天赋的物种的斗争中发挥这些功能,哺乳类动物在应付直接环境的过程中需要有相当的经验,意识似乎证明了在应付环境过程中它能提供有价值的帮助。

有充分的理由认为,我们人类祖先非常需要应付环境的经验。当它们离开树时,它们不得不依赖高水平的身躯控制、触觉、灵巧的手和通讯能力来维持生存,这些功能需要大脑具有复杂神经系统。

160 万年前,当人类的双手控制住了火时,从更精确的信息交流过程和应付环境的能力中获得的好处就明显地表现出来了。它们学会了把干木棒和树叶扔进自然燃烧的火中保持火不灭。它们观察到一头燃烧的木棒另一头还是冷的,因而可以握住。它们还学会了通过摩擦石头产生火星来点火,或者把燃烧的木棒从自然燃烧的火中拿到它们需要的地方去。

控制火给了我们的祖先在生存斗争中一个决定性的有利因素。火导致了恐惧:火和余烬烧掉了羽毛、皮毛和烫着皮肤。因为动物逃避危险的本能是逃跑,因此那些掌握了火的动物就可以利用它保护自己。火也是保证有持续食物供给的一个重要因素,通过烤炙食物,我们的祖先不再*弄到一点吃一点来维持生活:在狩猎的淡季和在坏气候的情况下可以依*公有的贮藏食物度日。

由于掌握了火,人类找到了一条确保自己统治地位的道路。我们的祖先不再为了生存斗争而处于对更强的物种的恐惧之中,它们能够建立起住所保护自己,并贮存土产。火还可以在很远的距离外长时间地保存。有证据显示,人类在范围广泛的地域内保存火种:在北京的周口店,法国的阿拉根,匈牙利的弗托斯索洛斯和*近肯尼亚的切什瓦印加,考古学家已经发现了人骨旁边有烧过的粘土和人工制成的石头工具。150 万年前的粘土说明了这一遗迹经受的热高于正常出现在灌木丛中的火的温度。在周口店地区的洞穴中隐匿着的火时灭时生地保存了约23 万年,只是在洞顶塌下来时才最终被遗弃。

后来,约8000 1 万年前,地中海沿岸国家的人在控制他们的直接环境方面达到了很高水平,他们学会了种许多种植物和饲养动物,这就使他们能呆在一个地方而不必跟着食物供给走。在好几条河流的流域有了定居者,这些河流包括尼罗河、底格里斯河、幼发拉底河、恒河和黄河。河流沉淀下来的淤泥作为自然肥料来利用,而周期性的洪水起着自然的灌溉系统的作用。游牧群体变成了定居的田园人。照字面上讲,剩下的就是历史。有记载的历史是基于有组织的社会内运用了高度进化的心理能力,社交合作需要精确的通讯形式来传递各种意图以避免误解。人们还发现,狩猎、收获、防卫和婴儿的抚养用分工的方法比不用分工的方法更有效。在获得了初步的语言后,我们的祖先在同其他物种的斗争中就获得了一种意义重大的工具。社会行为已从刻板的遗传程序中解放出来,并且证明能够适应各种变化的环境,人们可以合在一起工作以完成数量不断增加的各种任务。

通过运用符号语言进行通讯是在用简单的声音进行通讯的基础上的一个重大的进步。发出声音的能力在生物王国里是普遍存在的,但没有继续发展为讲话。非人类物种为了警告危险,寻找配偶,邀请加入捕猎行列,或邀请玩耍时要进行通讯,这种通讯就是以声音为基础的。与声音的信号相比,以符号为基础的语言使原始部落具有了很大的生存优势,例如在辨认捕食地点时、在围猎时、在寻找配偶和在养育后代时就会明显显示出来。在几千年的过程中,人类使用工具和手的能力同使用语言和社会化的能力结合了起来,猿的普遍的手势语言演变成了共同符号类型的人类语言系统。

现在这一语言系统又有了进一步的发展,以符号为基础的语言使人类不仅能辨认他们环境中的事物和事件,而且还能辨认他们自己,这就为人类的意识的进化打下了一个基础。


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4.2 对意识的现代理解

正如我们已经指出的,对当今科学家来说,“意识是什么”的问题本身是无意义的。在自然的透视中,意识是和大脑功能联系在一起的。然而,大脑功能是一个难以理解的问题,在可预见的未来这一问题只能部分地得到解决,不可能圆满地得到解决。把人类同其他动物划分开来的功能集中在新大脑皮层,即前脑区域上。该区域是我们人类物种最后进化出来的,它们非常复杂。这些功能包括知觉、响应、调节以及对信息的记忆——认知和再认知。迄今,只有简单的、基本的功能已经搞清楚,如某种知觉要素、刺激响应和有机调节。

然而有些事实的确已经弄明白了。例如,人们已经清楚地知道在感知时,大脑远远不只是在被动地接受从眼睛、耳朵和其他感觉器官得到的信息,它把从外界获得的信号和已经在大脑中的储存的信号整合起来,并根据整合的结果调节身体的感觉器官。就“看”而言,到达视网膜的辐射能量并不能组织起现成的图像:所谓的光线从字面上讲是电磁光谱的“传播”,它像无线电波一样散开。把这些光线聚焦或整合成一致的图样需要用仪器或透镜,这一功能是由视网膜和与之联系的大脑视觉中心来完成的。

耳朵是对不发光的信号进行精确分析的又一器官。内耳可以把小于氢原子直径的机械振动放大到是否响应;不可思议的10-11m 的微小振幅就可以产生感觉。看起来耳内的基膜并不是一个像由声音信号推动的麦克风那样的被动的振动系统,它有附加的机制来有效地放大微小的激励模式从而使之能够相互区别。耳朵仅仅在高信号水平情况下以被动的响应来工作,在低水平下,它就通过产生自身的振动来“锁定” (lock-on)来自外界的信号。这就意味着,听知觉的更精细的分布发展出了一种来自外界进入耳朵的信号与由耳朵自身产生的信号两者之间的相互作用,即人类的听是分析耳的外部和内部振荡器的相干相位产生的结果。分析从外部世界到达生物体的信息(即感知)仅仅是人类心理能力的一小部分,而重要的部分是认知和再认知。认知包含分析,再认知需要保持和回忆已经分析过的东西,后者是记忆的功能。

为了要长时间贮存感知,在应答外界信号时大脑似乎必须建立起某种心理“印象”。这将调整分析网络中的神经元联系和产生像重演记录的东西,用诺贝尔奖获得者神经科学家艾克尔斯爵士的话说,“记忆的结构基础就在于神经突触的持续调整。”

然而,对心理印象和其他持续的神经突触的调整(通过它们,信息在大脑中长久贮存)的研究证明是毫无成果的。1940 年神经外科专家K·拉什利(Karl Lashley)用分类方法开始了一系列著名的动物实验。拉什利先教会老鼠特殊的行为规则,然后切去它们大脑皮层的不同部位来判定这些规则的指令贮存在什么地方,他试图用这种方法来发现老鼠大脑中永久的心理印象。他切去了脑组织的越来越大的部分,但还是未发现规则记忆和大脑区域之间的任何联系。被试动物的记忆随组织的切去量而成正比例地退化,但始终不完全消失,记忆似乎渗透在老鼠的整个大脑中。拉什利由此得出结论说,不管是什么特殊的神经细胞,生物体的行为必定是由一般活动领域内的大量刺激所决定的。由于拉什利发展了老鼠的非区域定位记忆,因此现在没有任何神经科学家还认为记忆是由大脑中区域定位印象编码的。

相反,复杂的网络型理论正在发展起来,在该理论中神经元被看成是组成种种网络的要素。其中一部分由经验来调节。G·埃德曼(Gerald Edelmann)是诺贝尔奖获得者,这位美国生物学家提出了一个最著名的“神经网络”理论。它的概念是根据分布在各个部位,数量从100 万个到1 亿个细胞组成的性质不同的神经元群来解释大脑的认知功能。这样的神经元群作为一个单位对传递到它的任何信号作出反应。每个神经元群对一组特殊的信号类型作出反应,正是这些信号类型组在心理过程中产生了“注意反应”。因为信号选择特殊的神经元群,所以神经元群为了“选择” (即激活)就在相互竞争。为此,埃德曼把他的理论称之为“神经达尔文主义”。

基本神经元群组成大脑的“初级目录”,它们是*遗传编码的,因此是天生的。但是经基本仓库激活过的神经元群似乎更容易被相同的或类似的信号类型再次选择,这就导致有更强的内在联系的神经元群子集的随后出现,它们组成了大脑的“次级目录”。因为神经元群更倾向于对特殊类型(比较其他类型)的信号作出反应,所以它们之间的选择竞争就塑造了心理进化的道路。从这种意义上说,心理进化包括了由外界信号对先在(preexisting)神经元群的选择和神经元群与更加有序的组态的混合。选择和神经元组织的机制是大脑认知能力的基础,这些认知能力包括对外界刺激的区分,认知范畴的形成和自我再认知。

神经网络理论解释了从昆虫到猿的各种物种具有某种记忆的原因。“初级目录”成了动物大脑或神经系统的遗传性编码结构,而“次级目录”由于被经验所调节,它显示了学习能力。这种学习能力是绝大多数物种所必需的,因为对任何生物有机体(最简单的生物有机体除外)来说,由遗传固定下来的刻板的行为规则需要被生物有机体能够向其经验学习的机制来修正——单独“遗传记忆”很少能保证其生存下去。

几乎所有在病毒和细菌水平之上的生物物种都表现出对遗传固定下来的行为规则的经验修正。例如像山雀之类的小鸟,如果在它们的环境中有不同的昆虫物种,它们就随意地捕食昆虫,但是如果有一种昆虫特别多,那么山雀就开始更倾向于捕食这种昆虫,而对其他昆虫则不感兴趣。当它们喜欢吃的昆虫数量减少时,小鸟仍倾向于捕食这种昆虫一段时间,但后来它们就倾向于捕食另一种,或者仍恢复到像往常一样随意捕食各种昆虫。即使鱼也能“记忆”喂它们食的盒子的位置,尽管这种记忆仅持续不到10s。青蛙和海龟的记忆能保持几分钟;狗能在几个小时,有时在几天内记住食物源;狒狒能记住6 个星期。

除了对感觉刺激的分析和记忆(认知和再认知),我们人类的大脑还表现出更显著的功能,部分地以大脑自身产生的材料为基础,根据符号、概念和抽象来进行有意识的思考的整个领域都意味着高度复杂的神经的信息处理过程。感觉、直觉和情感色彩伴随着感知觉,也伴随着抽象思维过程。然而,更高级心理功能的神经生理学基础在本质上仍未搞清楚,神经生理学在通向根据大脑中的过程来完全理解意识的漫长道路上才刚刚起步,真正的展望不仅要考虑到其奥秘仍有待揭开的汪洋大海,而且还要考虑到科学家学习如何驾驶航船的能力。

总之,人类大脑、心灵和意识的生理学基础是未获解决的基本问题,我们已经知道的和我们仍未知道的相比,显得苍白无力。不过,我们已经获得理解的东西还是具有重大意义的。很清楚,大脑并不是一个*常识来直觉的被动的照相机,它是作为一个完整整体进行工作的复杂释译系统。人类大脑是生命系统的一个有活力的部分,不断地自由监督和调节系统与世界的关系,这就是已知世界中最完善的信息处理系统——人类大脑的功能。


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2 章令人困惑的不解之谜

正如我们所看到的,*近已经获得的知识的河滨的景物是模糊的,由现代科学所传播的知识仍不完美。当然,人类的心灵是否能获得对实在的完全理解还说不清,不过已经确信的是,尽管取得了显著的成就,但今天的科学还有漫长的路要走。谜仍未解开,在科学研究的所有主要领域都有概念上的黑洞不时出现,这些领域包括宇宙学、物理学、生物学、神经生理学和认知科学。在这一章中,我们就来讨论这些领域中所显现出的在现代科学框架内不可能得到解释的各种形式的“谜”。

1 宇宙现象中的谜

1.1 大爆炸理论中的问题

虽然大爆炸理论关于宇宙起源和演化的“剧情说明书”受到了广泛的欢迎,但它仍处于困境中,有成批的观察结果它都不能恰当地解释。这不仅包括思辨问题,如大爆炸之前是什么?当大爆炸过程结束之后将会怎样?而且还包括许多技术上的不解之谜,如它不能解释“丢失的质量”,也不能解释背景辐射的结构以及恒星和星系进化的方式为什么从地球上看在各个方向上本质上都相同这一问题。

星系和恒星的年龄,宇宙本身的年龄也是一个谜。人们发现,在空间的有些星系太大太深,不可能作为大爆炸后的结果而产生。用四束高度聚焦的“光锥线”所做的探索显示,在超过326 亿光年的距离之外存在非常巨大的银河结构,并在大约5 亿光年的间隔上具有一系列特征,每一种特征都类似于其邻近的结构,叫做“长城”,它在天空穿越超过5 亿光年。这些巨大的结构意味着宇宙的年龄远远大于大爆炸能够允许的年龄——按有些天文物理学家的估计,超过630 亿年。宇宙中某些星系怎么会比宇宙本身的年龄还大呢?这真令人烦恼。

宇宙中的所有结构都是在大爆炸的不稳定性中诞生的,这现在仍是一种推测。基本的问题并不是爆炸不稳定是否是在“剧情说明书”声称的时候发生的,而是发生的这种不稳定是否是第一次和仅有的一次。毕竟,大爆炸也可能是以前一系列不太包罗万象的“爆炸”后的一次。

大爆炸理论的“剧情说明书”的拥护者们声称,他们并不特别被这些问题所困扰。他们指出,其中许多问题对他们的模型并无多大危害。例如,是什么引发大爆炸的?在前一个宇宙中究竟是膨胀时代还是一种不稳定?关于宇宙的年龄和它的未来过程问题(再崩坍,无限膨胀,或在剃刀边的平衡)是不确定参数,这些不确定参数宇宙学家必须要弄清楚。但他们指出,大爆炸理论的“剧情说明书”无论如何提供了一组有意义的解释和成功的预见,这些实际上超出了它的缺陷。有些宇宙学家走得更远,他们断言,没有任何一个已知的宇宙学能像“剧情说明书”那样给出对观察的整个范围和实验证据如此好的解释。

然而,现在对大爆炸宇宙学也有了有意义的替代,而且它们最近已经显著地成熟起来。对“剧情说明书”的由来已久的替代是稳态模型,直到1965 年人们都在广泛地讨论它,只是在1965 年后大爆炸宇宙学才掩盖了它。在它的最初的陈述中,稳态模型坚持了爱因斯坦理论的基本哲学,但它通过说明物质是连续产生的因而代替了通过膨胀而失去的东西来处理其不稳定性。这样,宇宙的平均密度就保持为常数。

物质不断产生的概念要追溯到J· 金斯爵士的观点,1929 年他写道,星云的中心具有“奇点”的性质,在奇点上物质从某种其他的、完全外在的领域倒进我们的宇宙,所以它们看上去就像一个不断创造物质的点。H·C·亚普和F·霍伊尔爵士把这一观点改进成了现代稳态模型形式,代替了物质完全从外在领域不断倒进我们的宇宙的观点。

按照准稳态宇宙学(QSSC)目前的(1993 年及其之后)解释,霍伊尔和他的同事们证明,物质创生产生在强引力场的爆炸中,引力场与前存在物质的致密聚合体相联系,例如在星系核中。根据QSSC,宇宙普遍膨胀的根本原因是周期为400 亿年的叠置振动,物质创生正是按照这些时间间隔集中起来的。当宇宙的尺度达到振动的最小值时物质创生也准时到达这一时期,从而完成一个周期。最近爆发的一次主要物质创生的起始时间大约在140 亿年前,与“剧情说明书”的估计一致。

与其他理论相同,QSSC 构成了一个多周期宇宙学。宇宙经历定时的创造周期,因此从现周期产生的物质就和前一次周期剩下的物质共存,在现今的140 亿岁的宇宙中的星系就和以前周期创生的那些星系共存。某个星系是否是“我们的” (即我们这一周期的)可以由红移参量值来决定:那些由前一周期留下的星系相互之间的退行速度比我们这一周期中形成的星系快,也有更高的红移参数。

另一个多周期宇宙学是比利时的诺贝尔奖金获得者,热力学家I· 普里高津和他的同事提出的。与霍伊尔宇宙学的观点类似,他们认为大尺度的时空几何学产生了一个负能量的蓄水池,引力物质以此来汲取正能量。在多周期宇宙学中引力扮演着一个重要的角色,它不仅把星系聚合到一起,而且还是物质合成的基础。

普里高津和他的同事们提出的“自洽的非爆炸宇宙学”描画了一个物质创生的永久工厂。产生出的粒子的数量越大,产生的负能量就越多。①量子真空在存在引力相互作用时是不稳定的,因此物质和真空就形成了一个自创生的反馈环。激发物质的临界不稳定性会促使真空过渡到膨胀模型,而这一模型又促使开始另一物质合成时代。这样,可观察到的宇宙就不是从不可检验的前存在真空中创生出来的,它是在已经存在的宇宙中作为一个新周期而诞生的。

① 该理论认为,在宇宙的大尺度结构中的物质和量子真空之间存在一个恒常和平衡的相互作用。在每一个周期中,由于在先前的周期中粒子合成时产生了能量,因而物质的粒子在真空中创生,恒定和精确地进入物质合成中的正能量补偿了由于时空的曲率(因为前存在物质的引力吸引所致)而产生的负能量。


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1.2 和谐常数之谜

多周期宇宙学坚持一个承诺:对“大爆炸之前是什么,对由大爆炸合成的物质最终衰亡后将会是什么”这样的疑问,将给出科学上有效的答案。现在,对这一问题的解答尽管取得了很大进步,但合理的答案仍没有消除现代宇宙学所面临的另一个谜,这就是有关宇宙中存在生命的可能性的问题。

正如我们一直知道的,生命在宇宙中是存在的,但是我们不知道生命是否仅在这一宇宙(或这一类型的宇宙)中是可能的。生命能够进化的条件是极其苛刻的,基本参数的微小变化就会导致生命在宇宙的广大范围内不可能存在。很幸运,宇宙参数恰好适合于生命存在。天文物理学家发现,不仅生命过程精确地与宇宙中的物理过程和谐一致(生命是在物理背景下出现的),而且宇宙中的物理特性也精确地与生命可能进化所需的条件和谐一致。但是,先前出现的条件是如何与仅仅在后来才出现的条件相适应的呢?

宇宙对生命的精确和谐包括宇宙中物质的量和分布,宇宙力的数值和控制物质相互作用的常数。看上去物质仅构成太空中的一种很稀薄的沉淀,但形成的这一沉淀却是允许生命进化所需的精确的适宜厚度。如果宇宙的物质含量甚至比现在的稍微大一点儿,那么恒星的更高密度就会产生星际间碰撞的极大可能性,从而把带有生命的行星撞出安全轨道,这将使行星上可能进化出某种生命形式的任何东西不是冻凝就是汽化。而且,如果束缚核粒子的强力仅仅比实际的小一点儿,那么氘核就不可能存在,像太阳这样的恒星就不能发光;而如果这个力比实际的稍微大一点儿,那么太阳和其他具有活力的恒星就将膨胀,也许会爆炸。

物理宇宙与生命参数的精确和谐构成了一系列巧合,在这一系列的巧合中,只要稍微偏离给定值,就会导致生命的完蛋,或者更确切地说,就会产生生命决不可能诞生的条件。如果中子不比原子核中的质子重,那么太阳和其他恒星有活力的寿命期就将缩小到几百年;如果电子的电荷和质子的电荷不精确地平衡的话,那么物质的所有构型就将是不稳定的,宇宙就将是仅由辐射和相对均匀的混合气体所组成。而且,如果在紧随大爆炸后的膨胀中没有从大尺度的规律性分离出来的精确的小尺度的规律性的话,那么就没有今天的星系和恒星,因而就不会有在其上寻求这些不解之谜的答案的人类居住的行星。

但是宇宙空间中物质的质量和分布以及四种宇宙力的值是如此精确地和谐,恰好使生命能够在宇宙中进化。宇宙的膨胀速率和宇宙力的值一定是在这个宇宙(或宇宙的这一周期)开始出现时就已经确定了,它们几乎不可能*纯粹偶然性调节到产生生命的那个过程:根据R·皮诺斯Penose)的计算,要获得我们实际上能存在的这种宇宙需要在101023 可供选择的宇宙中作正确的选择。当然,即使纯粹的偶然性也能产生有序,只要有足够的时间。P·戴维斯估计,要通过纯粹的随机过程达到我们现在在宇宙中所见到的有序水平所需要的时间大约至少是101080 年的数量级。所有这些数字都特别巨大。我们可能会问,这些数字是否也适用于在我们之前也许就已经存在的不同宇宙(或同我们现在同时存在的宇宙)呢?如果适用,偶然性就将被大数定律所调节;在足够大的整体中,即使像我们这种不可几的宇宙也变得有合理存在的可能性。

如果我们抛弃非常大的大数宇宙的假设,那么就必须假定,宇宙常数按这样的方式调节是因为只有这样才能导致生命的进化,从而才能导致现在观察世界的人类的存在。这种对物理实在的解释类似于量子理论的哥本哈根学派的哲学,即物理实在依赖于观察者。

尽管如此,总还存在这样的可能:所有这些解释都将归于失败。那么,我们必须面对“我们所看到的宇宙是全能的造物主有目的的设计的结果”这样的可能性吗?

这些问题已经提出来了,假设也提出来了,但是还没有找到满意的答案。即使被大数定律修正后,偶然性还仍然不是一个合理的答案。造物主的有目的的设计克服了这一问题,但预先给定的目的对自然科学而言比纯粹的偶然能力甚至更难接受。而“人类学原则” (它告诉我们,宇宙之所以如此是因为我们人类正在观察它)尽管被广泛讨论,但几乎没有产生什么共鸣。不解之谜仍存在:宇宙怎么会在零时刻的时候预料到100 多亿年后出现的情况的呢?

生命之谜和大爆炸之谜是否有可能相互关联呢?如果我们对该宇宙的情况知道得更多的话,是否有可能会发现它的常数与生命的进化如此显著地和谐的原因呢?要解答这些问题,还有待探索。


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2 物理现象中的谜

正如我们已经指出的,当代物理学家把基本粒子看作是嵌在力场中的物质能小包,这些小包不能小于普朗克最小长度,其存在时间也不能短于普朗克常数所规定的最短时间。这些长度和时间的确非常微小:普朗克长度是10-33m,比一般基本粒子的尺寸要小得多;普朗克时间是10-43s,大大地短于在原子尺度上大多数事件所存在的时间。这里所说的小包就是量子,量子论显示,它们确实是些稀奇古怪的玩意儿。

2.1 惠勒的龙

量子的怪异表现形式既包括非定域和非动力相互作用现象,也包括波粒二象性、海森堡的测不准原理等。所有这些都是不折不扣的佯谬,人们虽然经常求助于禁令处理它们,但终不能澄清它们。这些禁令就是,物理学家应该满足于发现各种观察结果之间的相互关系,而不是试图去解释这些观察结果意味着什么——量子“本身”是什么。

量子的怪异表现形式引起了科学史上可能是最著名、肯定是持续时间最长的关于实在的根本性质的深入讨论。从1927 年到1933 年,爱因斯坦和玻尔就关于令人费解的量子现象的解释进行了交谈和通信。爱因斯坦不接受似乎是量子表现形式所固有的不确定性,他一次又一次地提出论据证明,现有的量子论在逻辑上必定是不完备的;而玻尔则拒绝任何超越物理学家实际能够观察到的现象的解释。玻尔断言,自然界已经为能被测量和观察到的现象规定了一个绝对界限。实际上这种界限甚至具有更深层次的意义,因为它不让科学以任何明确的方式谈论量子和基本粒子的特性和属性。

爱因斯坦愿意同意这种看法:不可能同时测得一个基本粒子的位置和速度——自然界似乎对这种知识设置了障碍。但他争辩说,这并不意味着基本粒子实际上在任何时候都没有确定的位置和确定的速度——仅仅是我们看不见它的特性而已。玻尔不同意爱因斯坦的观点,他认为必须抛弃那种认为粒子同时具有位置和速度的观念。但是,如果粒子的位置和速度是不明确的,那么谈论量子粒子具有某种轨迹就没有意义。

日常的实在开始分解为各种新的形态,而且在他们对话的最后阶段,玻尔发现他自己不能用“现象”以外的任何术语来描述所观察到的事件。物理学家惠勒指出,“现象”是一个非常有意义的词,它意味着在谈论量子时,我们不再是讨论客观的实在,我们也不再有权力对“基本量子现象”本身究竟是什么提出疑问。E·魏格纳(Eugene Wigner)就指出,量子物理学讨论“观察到的结果”,而不讨论“可以观察到的结果”。这就意味着,量子物理学家是在爱丽丝的仙境里工作,那里只存在事物的表象而不存在事物的实体——是切希尔猫的嘻笑,但不是实际的切希尔猫。存在脱离实际的实在总让人痛苦,因而物理学家并不轻率地同意这种分离,他们不得不通过实验来达到他们的现象学结论,这种结论彻底粉碎了人们关于真实世界中大量物质应如何起作用的所有期望。典型的例子当然是现在出了名的双缝实验。你可以把一块屏幕放置在一束光的前面,并在屏幕上开一条狭缝以便让一部分光线能穿过去,然后在第一块屏幕的后面再放一

① 切希尔猫是经常露齿嘻笑的猫,源出《爱丽丝漫游仙境》。

块屏幕来记录穿过狭缝的光线。这样,结果就好像你让水流过一个小孔一样,你会发现有一种衍射效应:光束呈扇形散开,并在后一块屏幕上形成衍射图样。这就证明了光的波动性,而与光本身并不矛盾。但是,如果你在屏幕上再开一条狭缝,就会出现两种衍射图像的叠加,即使你每次只发射一个光子也是如此。狭缝后投射的波形成一种独特的干涉图像:当两个波阵面的相位差是180 度时,它们相互抵消;当两个波阵面同相位时,它们相互加强,因此,看上去就好像单个光子同时通过了两个小孔一样。然而,这肯定不是每次只发射一个的粒子实体在我们实验中的表现形式

(图2)。

2 双缝实验中的波干涉图样

这种实验有好几个变种,一个比一个更令人费解。亚原子世界的某些最怪异的现象出现在“光束分裂实验”中,这里,光子也是以一定的时间间隔一个一个地发射的。当从发射枪发出的每个光子到达并撞击探测器时,探测器就会发出咔哒声或发亮。通常人们会预料,从发射枪发出后到达探测计数器的光子具有一定的轨迹,然而,这一预料没有兑现。

在光束分裂实验中,我们把一面半镀银的平面镜插在光子通过的道路上,这就把由连续发射的光子所组成的光束分裂开来,产生了这样的可能性:每两个光子中有一个可以通过平面镜,而另一个则被其反射。为了证实这种可能性,我们可以在半镀银的平面镜后面和与其成直角的位置上都放上计数器。人们预料,平均每两个光子中有一个光子沿一条光路前进,而另一个光子沿第二条光路前进。这一预料确实获得了实验的证实:两个计数器记录的光子数大体相等。但后来情况就出现了反常。把第二面半镀银的平面镜插在未受第一面平面镜偏转的光子的光路上,这面平面镜放置成这样的角度:使偏转的和未偏转的光子仍然必须到达两个计数器中的一个。因此,人们预料会听到两个计数器发出数量相等的咔哒声(或看到数量相等的光信号):单个发射的光子将仅仅调换目标。但情况并非如此,两个计数器中只有一个有咔哒声(或发光),而另一个则没有,所有光子都到达了一个相同的目标。

双缝实验的结果可以重复。作为单个粒子发射的光子能像波一样相互干涉。在一面平面镜的上面,干涉是相消的:因为光子间相位差是180 度,所以行为与波类似的光子相互削弱;在另一面平面镜的下面,干涉是相长的:光子的波相相同,因而它们相互加强。

3 分光束实验和两种结果

这种实验也有许多形式,而这里的结果也变得越来越自相矛盾。第二面半镀银平面镜只在光子已经通过了第一面平面镜后插入,而且可能正在其向正常目标前进的光路上,第二股光子流仍同第一股和所有到达一个计数器的光子相互干涉。我们可以在其中一股光子流的光路上设置一个障碍,从而消除了第二股光子流,这样就使实验结果与人们的预料相一致:单股光子流分成相等的两股到达两个计数器上。但是当障碍被移去时,所有光子又再一次到达一个计数器上,而另一个计数器一个光子也接收不到。障碍甚至可以在光子已经开始其旅程后插上,其结果仍相同。这种实验似乎不得不得出奇怪的结论:一个光子莫名其妙地“知道”另一个光子正在干什么,并相应地选择它的光路。

这种奇怪的知识由于以下事实变得更加奇怪。时间和空间对它的影响很小。在“宇宙学的”光束分裂实验中,人们检验了来自几十亿光年以外的河外星系的光子。在一次实验中,受检验的光子是被称之为0957516AB 的双类星体发射的。这个遥远的类星体现在被认为只是一个星体,而不是两个,它的双像是由于它的光被某个河外星系偏转所引起的,这个星系和我们间的距离是类星体和我们之间的距离的14。由“引力透镜”作用而产生的偏转大得足以使类星体在几十亿年前发出的两束光线汇聚到一起。由于被河外星系偏转的光子走了额外的路程,因而它们在路上比直接到达的光子多用了5 万年的时间。不过,尽管在几十亿年前发射的光子之间有5 万年的时间间隔,但这些光子不像独立发射的光束中的那些光子,它们仍能相互干涉,就好像在实验中相隔几秒钟发射的光子能相互干涉一样。这种干涉本身令人十分费解,而且不受时间和空间约束的事实更与人们关于自然界中单个物体表现形式的所有预料相矛盾。

几百年来,科学一直认为客观实体存在于特定观察的范围之外,但现在这种关于独立实体的观念正受到怀疑。玻尔认为,我们没有任何根据谈论在它们被发射和显示它们被接受的“咔哒”声这段神秘的时间里,量子究竟是什么或究竟干了些什么。用惠勒生动的话说,在这段时间里它是一条“巨大的烟龙”,龙的尾巴在发射的位置上是显而易见的,龙的嘴在咬探测器时也是显而易见的,其余部分则是“烟雾”。惠勒承认,量子现象是这个奇异世界上最奇异的事。

J·A·惠勒《位·量子·意义》,载《理论物理学中的问题》,乔范尼尼,曼西尼和马里纳罗编,萨莱诺,萨莱诺大学出版社,1984 年。


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2.2 爱因斯坦的实验和贝尔定理

爱因斯坦是理论家,他并不从事实际的实验。有人说他把最初的想法匆匆地记在信封的背面,过后再把它更详细地写在黑板上。但在与玻尔和量子论的拥护者进行论战时,爱因斯坦很想进行某种实验,尽管作为一个理论家,他做的不是“真实的”实验,而是“思想”实验。他的意图是要说明,量子的“烟龙”不是自然界的事实,而仅仅是由于描述量子的理论不完备所引起。爱因斯坦坚信,并不是量子世界是如此的不真实,而是量子论所提供的描述不适当。他在写给M·玻恩的信中说,“我发现这种观念十分令人难以容忍。”他还说,“如果现在的解释可以证明是正确的,我宁愿做一个修鞋匠,或者甚至到赌场里去干事,也比做一个物理学家强。”②然而结果是,爱因斯坦及他的同事B·波多尔斯基(BorisPodolski)和 N·罗森(Nathan Rosen)所提出的著名的思想实验非但没有能解决量子的不确定性问题,反而产生了更大的困惑,它无疑承认了在空间相互分离的粒子间的瞬时信息传递。量子的实在性证明比任何人所预料的甚至更奇妙。

著名的爱因斯坦—波多尔斯基—罗森实验是要得到处于相同状态的两个相同的粒子并允许它们分离,然后对其中一个粒子的位置进行测量。因为这两个粒子是相同的,所以人们的预料是,应该可能利用这种信息来预测第二个粒子的相应状态。对这个粒子,我们可以测量它的补充属性,比如说速度。这就意味着,我们既能知道第二个粒子的速度又能知道它的位置——这一结果在量子论中是被禁止的。爱因斯坦争辩说,同时的位置和速度具有某种意义,如果量子论不能说明这一点,那是因为它不完备。爱因斯坦—波多尔斯基—罗森实验在1935 年就已提出,但直到80 年代它的陈述才得到物理仪器的检验。这种检验没有证实爱因斯坦的预料,反而产生了意想不到的结果。正像宇宙学的光束分裂实验一样,两个粒子尽管在空间是分离的,但结果显示它们是直接相互关联的,在这种情况下,测量一个粒子的活动对另一个粒子有某种测量影响。事实上,这种奇怪的现象就是物理学家J·贝尔(John Bell)在 60 年代所预言的。①贝尔定理要求空间上相隔一段距离的粒子之间有瞬时的“信息”传递,对爱因斯坦—波多尔斯基—罗森思想实验的检验证实了结果的确如此。粒子具有瞬时相关性,所以信息能够越过有限空间而无需有限的传递时间。

信息的瞬时传递违反了相对论的基本定律:宇宙中没有任何信号能传播得比光速快。但量子似乎无视这一禁令,它们的相关性是瞬时的,而且并不缩短距离。

② 引自玻恩《爱因斯坦书信集》,纽约,沃克出版社,1971 年。

贝尔《论爱因斯坦—波多尔斯基—罗森佯谬》,载《物理学》第一卷,1964 年。

2.3 泡利原理

非定域相互作用也出现在原子结构内。的确,与卢瑟福所提出的经典模型(一定数量的电子围绕硬核旋转)相比,原子结构的现代模型非常模糊。原子核由若干到目前为止尚未完全搞清楚的高能场组成,而围绕它的电子似乎以某种奇怪的方式告知彼此的存在。这种相互关联的独特形式只出现在电子同原子核有联系的情况下,它与单个电子、单个核子和其他独立的粒子无关。

尽管每个电子不被任何已知的力引向其他的电子,但壳层中围绕原子核的每个电子的表现形式就好像它“知道”其他电子在干什么似的。由所有电子形成的总模式报告每个电子的表现形式,并规定它们状态的相互概率。围绕着原子核的电子相互排斥的数学表述是泡利在1925 年提出的。他的“不相容原理”告诉我们,围绕着一个核或在多原子构型中围绕着几个核旋转的电子所处的运动状态都可以由四个量子数来描述。不相容遵守反对称规则。如果我们考虑到电子在原子壳层中的状态是用薛定谔波函数ψ(x1x2x3xn)来描述的,这个意思就清楚了。这里的“xs”是不同电子(包括它们的自旋)的坐标,正是由于这个波函数,不相容原理必须是反对称的。这就是说,如果任何两个电子相应交换,波函数就改变符号。同样的反对称规则也适用于在其中有许多电子围绕着几个核旋转的复杂分子,甚至含有极大量电子的金属元素的波函数也一定是反对称的。波函数的反对称原理规定,原子中的电子必须占据不同的轨道。但是,整个原子(或分子、金属元素、或其他复杂的多原子系统)为什么能遵守反对称规则呢?这一点还不清楚,因为不存在约束电子的通常的力或能。不相容原理要求电子间有精确相互作用而不涉及动力学的力。正像爱因斯坦—波多尔斯基—罗森实验中的两个电子和光束分裂实验中的两个光子似乎知道相互的量子态而无需交换明显的能一样,原子、分子或金属元素中的电子也如此直接地和非动态地相互联系在一起。

电子对单一态的不相容有助于具有特定性质的有序原子结构的出现,这是宇宙中所有复杂现象的基础。不过,泡利原理只是描述了不相容起作用的方式:一个电子“知道”其他电子在干什么的方式,但是,它并没有解释这种方式。

① 一个简单的例子就能够说明这一过程。自然界中各种不同的元素对应于原子所包含的特定数量的电子。

最简单的原子氢,由其核外的一个电子构成。如果围绕原子核的电子是两个,我们就得到了氦原子。这里,量子论限制了电子的运动:第二个电子不得不处在不同于第一个电子的能态和自旋态。就锂来说,有三个电子围绕着核旋转。两个内层电子所处的轨道叫K 壳层,其中每个电子处在不同的自旋态,而第三个电子只能处在第二层轨道。


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2.4 霍伊尔假设

因为电子受到泡利原理的约束,只能以独特的状态围绕着核旋转,所以物质能够把自身建构成越来越复杂的形式。倘若没有这一原理,自然界中的一切就将是无定形和无特色的一锅汤。但就最先出现的物质构成来说,物理条件必定允许越来越多的电子进入稳定原子的组态场,这需要中性原子振动的各种不同频率的谐和——一种与共振紧密相关的现象。这种谐和有很大的重要性,因为在物质构成的某一点上,所有共振所要求的微调很难实现。

在宇宙的历史上,第一批形成的原子核由一个质子和一个中子构成,它们是氢的同位素氘核。随后在早期宇宙的强烈辐射场中发生的反应把一些氢核聚变成氦核。但氢—氦宇宙还不能够创造出其他种类的原子结构:氢和氦都是惰性的,而且没有把它们结合成重元素所需的大量核能。除非找到超越氢—氦宇宙场的途径,否则我们所见到的复杂宇宙就不可能进化成现在这样。这条途径显然已经找到,这就是一种新元素的出现,这种元素能比氢和氦更强烈地催化各种反应,而且可能合成更重的元素,这种元素就是碳。

使人感到迷惑不解的是,碳为什么该首先在宇宙中出现?产生一定量的重元素需要大量碳的合成,出现这种合成的可能性似乎很小。碳的出现仅仅是由于偶然的巧合,对我们来说这是很幸运的,因为如果没有这种巧合,行星、植物、蚂蚁和人类就不可能出现。

这种巧合(如果确实是如此)与氦、铍的一种不稳定同位素和碳的频率有关。碳可以在两个氦核聚合成一个铍核开始的过程中合成,氦核和铍核的进一步碰撞就能产生出碳核。

问题在于,在第一次碰撞中产生的铍核非常不稳定:它几乎一出现就蜕变。它在极短的寿命期内遇到氦核的机会是微乎其微的,而概率表明,通过这种过程宇宙中只能产生极少量的碳。不过,如果存在各自共振频率的微调,那么情况就不一样了,因为原子核共振频率的巧合会增加它们之间聚合的机会。物理学家E·萨尔皮特(Edwin Salpeter)早在1935 年就已经提出铍和氦具有巧合的共振这一假设,这种巧合可以说明足够的铍的产生,但不能说明足够的碳的产生,在铍的不稳定的同位素和碳的共振之间还必须有另一种巧合。乍看起来,自然界中出现这种双共振的机会非常小,然而,天体物理学家F·霍伊尔(Fred Hoyle)指出,情况正是如此。为了说明观察到的碳的数量,结论只能是这样,即我们必须承认双共振,此外没有任何其他的解释。

在加利福尼亚工学院核物理实验室中所进行的实验证明霍伊尔是正确的,自然界确实显示出了在三种不同的原子核之间具有两种不同的共振这种最不可能的一致。正是由于这种巧合,重子物质才得以越过氢、氦和铍的阶段而进化,比惰性气体中随机碰撞的原子更复杂的物质—能量结构才得以在宇宙中存在。


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3 生命现象中的谜

生物学上持久的,也许具有深远意义的“谜”是有生命机体的进化及其复杂结构的产生和再产生,我们将依次讨论这些现象。

3.1 物种的进化之谜

传统上,生物学家都根据特定物种的特定历史来说明所观察到的有机体的解剖学特征。他们认为,不可思议的遗传突变和自然选择塑造了我们今天所看到的有机体并创造出生物的形式。突变被看作是双亲的遗传密码在后代身上的副本出现了“打印错误”,而且所有物种都以差不多不变的比率产生这种突变。随机变异所产生的绝大多数突变体在某些方面都存在缺陷,因而会被自然选择所淘汰。然而,随机突变不时地会偶然碰到使个体更适于生存和繁殖的遗传组合,这种个体又把它的突变基因遗传给子孙后代,而由这些后代所产生的许多后代取代了属于先前占主要地位的物种的那些个体。

有些研究人员,例如像R·道金斯(RichardDawkins),对这种解释十分满意。按照道金斯的观点,自然界就好像一个“盲种表匠”,它的试错法产生了生物圈的有序和多样性的全景。但其他许多人对此不太相信,例如M·丹顿(Michael Denton)就问,随机过程是否能够创造出一种甚至其基本要素(如蛋白质和基因)也比人类的智能更复杂的进化结果呢?能不能说诸如哺乳动物的大脑这种真正非常复杂的系统是偶然出现的呢?这种大脑中仅仅百分之一的通讯线路按类别组织起来,也比全世界整个通讯网络的通讯线路多。丹顿的结论是,被自然选择所影响的偶然突变能够很好地说明特定物种的变异,但几乎不能说明它们的连续变异。怀疑达尔文关于物种进化的机制的适当性的一个理由是K·洛伦茨(Konrad Lorenz)提出的。②洛伦茨说,尽管断言偶然突变和自然选择的原理在进化中起一定作用在形式上是正确的,但仅仅这种断言本身并不能说明事实。突变和自然选择可以说明特定物种内部的变异,但是在这颗行星上,生物进化可以利用的40 亿年时间对通过随机过程从物种的原生动物祖先产生出今天这样复杂的和有序的有机体来说,可能是远远不够的。

数学家H·韦耳(Hermann Weyl)在涉及这个问题时指出,作为生命基础的分子每一个都由大约100 万个原子组成,所以原子的可能组合数是非常巨大的。另一方面,能够产生有效基因的原子组合数却是极为有限的,通过随机过程产生这种组合的可能性是微乎其微的。韦耳说,比较可能的解释是,某种选择过程一直在进行,一直在探索不同的可能性,而且在逐步探索从简单到复杂结构的途径。韦耳本人的意见是,“具有意象、理念、‘建构计划’性质的非物质因素”可能包含在生命的进化中。科学界不接

丹顿《进化:处于危机中的理论》,伦敦,伯内特图书公司,1986 年。

洛伦茨《人性的衰微》,波士顿,利特尔·布朗出版社,1987 年。

韦耳《数学和自然科学哲学》(第二版),普林斯顿,普林斯顿大学出版社,1949 年。

受这些猜测,因为它们具有目的论的味道。科学家们相信,自然界创造出自己的图样,而不是接受现成的图样。但是生命在有限的时间内已经不可思议地建立起复杂的结构,它是如何做到这一点的,到现在还没有令人满意的答案。不言而喻,认为我们这个行星一定受胎于来自外层空间的生命胚芽(开尔文勋爵也持这种观点),这已超出了科学可接受性的栅栏。物种在其中进化的环境并不是一成不变的,这个事实解决了随机进化的问题。一度适合于居住的地方随着时间的推移可能变得不那么适合了,甚至可能威胁到某一物种的生存。为了继续生存,这个物种不得不修改它们的适应方式以有利于适应能更自然存活下来的小生境。不过,这样的修改可能是危险的。即使这个物种产生出使它们最终适于生活在更能自然存活的环境中的突变体,但在过渡期间它能达到这种环境而不冒不能适应和可能灭绝的危险吗?尽管生物圈环境不是固定不变的,但大量物种仍同我们在一起生活。显然,存活下来的物种解决了从一种类型的环境转换到另一种类型的环境的问题,但它们是怎样做到这一点的还没有弄清楚。

我们可以在“进化图景”的框架内来分析这个谜。设想一个像一张纸那样向两个方向伸展的水平面,这个平面并不完全平坦,有些地方有向上隆起的小丘,物种基因遗传中的每一个变种都沿平面的一个方向或另一个方向移动。隆起的小丘给这个图景增添了适应的因素,物种越适应它的环境,它在小丘上就攀登得越高,小丘的顶部代表最适应的点。

根据达尔文的理论,物种慢慢向小丘的顶部攀登,它们在其基因库中产生随机的变种,由此而产生的突变体面临着生存下去的考验。不适应的突变体被自然选择淘汰,这就迫使物种沿适应的斜坡向上攀登。问题是,物种也能从一个小丘向另一个小丘移动吗?

在稳定的环境中不会出现这种问题,物种能停留在它们自己的小丘上,并向小丘的顶部*近。但是在变化着的图景中,从一个适应的顶峰向另一个适应的顶峰转移迟早是必要的;在一组条件下的真正适应可能变成在另一组条件下灭绝的原因。但是物种并没有把它们从正在消失的小丘引向另一个上升的和更加稳定的小丘的高架道路,如果它们要到达另一座小丘,它们必须下降到两丘之间的谷底。然而,在达尔文的进化论中,这是不允许的。随机突变可能会产生多种多样的突变体,它们中间不太适应的就会被自然选择所淘汰。然而,“适应”的突变体推动着物种沿它们当时所在的小丘向上攀登,因此物种不可能在适应的斜坡上“向下爬”,自然选择把它们束缚在它们当时所在的小丘上。

■图4 地形图模型图示了在所谓的适应区内当从一个“适应峰”向另一个“适应峰”过渡时实际突变的问题。突变体使物种在两维空间内沿适应区运动。第三维是物种对其小生境适应的水平。因为不适应突变体灭亡,好的适应突变体繁殖,所以突变一般推动物种向适应峰攀登。当小生境变得不太适合生存,或完全消失时(适应峰陷下去或消失掉),问题就出现了。适应原小生境的物种必须适应另一个小生境,但如果使适应水平从现在的峰降下来的突变体被自然选择所淘汰,那么怎样创生那些大量的系统性的可把物种推向另一个峰(更稳定或可能上升的)的山脚下的突变体呢?一旦到达那儿,逐步的突变就将把它往斜坡上推,但如何到达那儿却是个谜。

成功的物种在它们的进化史上是如何设法找到从一个小丘到另一个小丘的道路的,这是一个谜。有些生物学家猜测,当它们的小丘开始收缩时,物种能产生大量的突变体,有些突变体可以像触角那样活动,从小丘向下并越过谷底一直伸展到邻近的小丘。但是很难搞清楚,这种触角突变体何以能生存足够长的时间,从当时收缩的小丘伸展到另一个上升的小丘。正如S·赖特(Sewall Wright)所指出的,即使在小群体中,偶然的错误也会增加与自然选择有关的突变的重要性。但遗传空间是广阔的,假定突变是随机地产生的,而一个物种的适应性只限于少数可能的突变体,那么实际上产生的大多数突变体可能都不适应。不适应的突变体也将出现在通往邻近小丘的道路上。尽管赖特提出,小群体(所谓的同类群)可能偶然“碰到”适应的斜坡,此后在斜坡上受自然选择的驱使,但看上去物种似乎更可能跌进灭绝的陷阱。不适应的突变体将会被无情地淘汰,即使后来它们可能适应(就邻近的小丘而言)。

很明显,成功的物种在它们适应的小丘收缩时并没有死去,而是在这个图景上漫游并发现了新的和更好的小丘。在达尔文和新达尔文主义理论中,这种佯谬并没有得到令人信服的解释。这对达尔文本人来说也许不是什么值得大惊小怪的事,因为他并不把突变和自然选择的偶然过程看作是对出现生命秩序的圆满回答:他相信神的创造。但最后他的理论被当作是那些事实的完美解释。

另外还需要说明的是导致进化过程有序化的一致性,在这里佯谬也继续存在。生物物种的一致性和它们的多样性一样明显,例如,鸟和蝙蝠的翅膀与在种系发生方面完全无关的海豹的鳍和两栖动物、爬行动物及脊椎动物的前肢是同源的;虽然骨骼大小和形状千差万别,但骨骼本身所处的位置是类似的,无论是它们相互之间的位置关系,还是它们对身体其余部分的位置关系,都是如此。不同物种的心脏和神经系统的位置显示出共同的秩序:内骨胳物种的神经系统在背部,心脏在腹部;而外骨骼物种的心脏和神经系统所处的位置恰好相反。此外,某些很特殊的解剖学特征也为进化历史非常不同的物种所共有,最显著的例子是眼睛:不少于40 种在种系发生方面毫不相干的物种的眼睛看来都有同样的基本结构。

其次,所有的物种都有较大的规则性。尽管在寒武纪期间产生的有机体种类多得令人吃惊,但生活在生物圈内的物种主要可以分为二十几类,无论在类内或类与类之间都表现出惊人的有序性和规则性。最后(但并不是不重要),在生物圈的最高组织层次上存在着有序和组织的要素,这些要素使生物学家J·洛夫洛克(JamesLovelock)提出了有争议的“盖娅①假设”。根据这一假设,生物圈是一个自在的生命系统。他于是得出这样的结论:使我们这个行星上的物理、化学和生物环境基本不变的精确调节始于对空气、水及土壤的温度和化学成分相互平衡的调节。

渐进的和随机的进化过程能产生这种有序和组织吗?正如我们已经看到的,随机性受到严重的怀疑,渐进论现在也是如此。自然选择是渐进的和连续的,这种概念受到了当代古生物学家的攻击,他们声称,“种系发生的渐进率”是错误的。(达尔文在《物种起源》中宣称,“自然选择不能产生重大的或突然的变化;它只能小步地和缓慢地起作用。”)在达尔文的巨著出版大约120 年后,两位美国古生物学家,J·古尔德(JayGould)和N·埃尔德雷杰(Niles Eldredge)把“跳跃”引进物种进化。①根据这种“不连续平衡”理论,新物种倾向于在相对短暂的时间周期内突然出现,这种时间周期通常为500050000 年。不仅单个物种,而且全部物种都是以突然创造的形式出现的,它们的出现标志着某个纪元的开始。例如,寒武纪的剧变在较短的几百万年时间里产生出了现今居住在地球上的绝大多数无脊椎物种。

抛弃渐进论有利于进化的突然出现,使宏观进化理论与非平衡热力学理论一致起来:在后两种理论中,复杂系统的发展都需要现存系统的临界不稳定化和在不连续与非线性过程中出现新的有序。然而,无论是物理学的理论还是生物学的理论都不能在有效的时间范围内解答这个谜。这两种理论中的偶然性不涉及单个的幸存者和繁殖体,而是涉及整个物种和群体。因此,在生命领域中依然存在着有序进化之谜。

① 盖娅是希腊神话中的大地女神。

古尔德和埃尔德雷杰《间断平衡:对进化速度和方式的再思考》,载《古生物学》,第三卷,1977年。


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3.2 有机体的产生和再生

物种一旦进化,其个体成员如何设法产生出它们特定的有机体形式呢?单细胞有机体能够通过分裂进行再生,即通过简单的分裂把它们染色体的脱氧核糖核酸(DNA)转变为新细胞。但是,比较复杂的物种一定要通过它们的生殖细胞进行繁殖,它们之所以能这样做,是因为假定它们的每个细胞都具有构建整个有机体的一整套指令。但它们是这样做的吗?种瓜得瓜,种豆得豆——从鸡蛋里孵出来的都是鸡而不是雉,这一事实需要解释。人们通常都根据DNA 来解释,他们假定每一物种的遗传密码都有整个有机体的蓝图,但这一假定也存在问题。首先,在非常不同的物种之间遗传密码往往十分类似;相反,在比较类似的物种之间的遗传密码却往往大不相同。黑猩猩染色体中的DNA 99%与人类染色体中的相同,而具有许多共同形态特征的两栖动物却有着极为不同的DNA

问题回到了遗传密码本身的进化。进化是怎样在DNA 中产生出保证某

一物种具有生存能力的那些变化的呢?物种*突变产生一种或几种正向变化是不够的,它必须要产生一整套变化。羽毛的进化并不产生能够飞行的爬行动物——还需要骨骼结构和肌肉组织方面的根本变化以及维持飞行的更快的新陈代谢能力。自身的每一项革新几乎都不可能形成进化优势,而是很可能被消灭。进化是如何通过现存物种的遗传密码的逐步精致化持续下去的呢?要搞清楚这一点并不容易。

DNA 怎么能说明胚胎发育所涉及到的值得注意的过程,同样也是一个谜。就哺乳纲物种而言,胚胎发育需要子宫内无数能动行为方式的有序展开,它包括数十亿个细胞的协调相互作用。如果这个过程完全是由基因来编码的,那么遗传程序必定是奇迹般地完备和细致的,这些程序必须有足够的灵活性来说明在各种不同条件下能动行为方式的变异。但是遗传密码对胚胎中的每个细胞来说都是相同的,因而要弄明白它如何操纵和协调整个范围内细胞的相互作用是很困难的。

诺贝尔奖金获得者、生物学家F·雅各布(FrancoisJacob)明确指出,关于调节通道和胚胎发育至今知之甚少。除迄今为止还是模糊的渐成图景和生物场观念外,生物学家真正掌握的唯一推理方式是线性的和单维的。雅各布说,分子生物学之所以能飞速地发展,主要是因为微生物学中的信息碰巧是由组建单元的线性序列所决定的,所以遗传信息、各种基本结构之间的关系以及遗传逻辑等等都是单维线性的。但从胚胎的发育看,世界不再是线性的,基因中的单维碱基序列在某种程度上决定着二维细胞层的产生,而这些二维细胞层又以精确的方式参与决定有机体形状和特性的三维组织和器官的产生。按照雅各布的观点,这是怎样发生的仍是一个十足的谜。涉及胚胎发育的调节通道的原理还不清楚,而且尽管人们已经颇为具体地知道人手的分子解剖结构,但有机体如何指令自身创造这种手的,人们几乎一无所知。在受到损伤的有机体结构的再生方面,也产生了类似的问题。很明显,有机体的自我修复具有生存价值,因而我们可以假设,自然选择有助于扩大有机体修复程序能力的突变。令人费解的是,有机体竟具有不是自然选择的修复程序:在物种的历史上,它们所修复的那些损伤不可能降临到其祖先身上。科学家们不得不在实验室中摘除有机体的全部器官和肢体,把整个有机体分解成它们的组成细胞,但是有些有机体仍然能够修复这些故意造成的损伤。在这种自我修复的有机体中,最值得注意的是普通海绵。海绵是一种名副其实的多细胞有机体,它由若干不同类型的,在特定功能方面紧密协调的细胞组成。当海绵被切碎,各部分通过足够细的筛眼被挤压而使细胞间的所有联结都断裂时,这些分离的细胞仍能重新把它们集合成完整的有机体。海绵的细胞似乎受某种定位系统的引导,而这种定位系统即使在细胞彼此分离后仍能起作用。

海胆也具有类似的本领。它们是更为复杂的有机体,有消化道、脉管系统、用来移动的管状足和围绕机体构架的盘状环。当这种有机体失去骨骼所需的钙时,它的组成部分就会分解成为一大堆孤立的细胞。但是,当钙质重新达到所需的水平时,细胞就能重新组织它们自身并重新构成完整的海胆。

比较复杂的物种不可能有完全再生的本领,但是有些再生能力同样值得注意。科学家可以把蜻蜓的卵一分为二,并把其中的半个毁掉,而另一半仍能发育成一只完整的蜻蜓。有一种扁虫可以切成几段,每一段都能长成一条完整的扁虫。你可以把蝾螈的一条腿割下,这只蝾螈(和其他方面与之类似的青蛙不同)会长出一条新腿。它甚至还能重新长出眼睛的晶状体:当它被手术摘除时,虹膜边缘的组织就会重新聚集成一个新的晶状体。尽管最近几年来遗传学有过某些重大突破,而且将来可能会出现更多的突破,但它不大可能对活的有机体形态的产生和再生这个谜作出圆满的解答。许多研究人员已经得出结论说,形态组织必定也取决于非遗传因素。例如,G· R·泰勒(Gordon Rattray Taylor)指出,在生物圈内的最基本层次上已经具有一种固有的自我集合倾向。 A·哈迪(AlistairHardy)爵士推测,一个物种的所有成员都有一幅共同的“心理蓝图”。但是没有人清楚地知道,在形态发生过程中的非遗传因素究竟是什么,这些因素与遗传程序如何进行相互作用。耶鲁大学的生物学家E·辛诺特(EdmundSinnott)归纳了这种情况。他指出,关于生物学中形态产生过程的某些基本的东西仍有待于发现,单*遗传模式过于简单,不能说明事实。

雅各布《分子对进化过程的拙劣修补》,摘处D·S·本多尔主编的《从分子到人的进化》,剑桥,剑桥大学出版社,1983 年。

辛诺特《物质、心灵和人类》,纽约,哈珀与罗出版公司,1957 年;或《有机体的形态问题》,耶鲁大学出版社,1963 年。


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4 心灵现象中的谜

在关于心灵现象方面科学和科学家所面临的问题比其他观察和经验领域所出现的问题更深刻和更困难。科学家不能回答基本问题:为什么我们大脑的一部分功能与意识体验相伴。然而正如我们已经看到的,科学的进步并没有被其阻碍,它在假设的基础上前进:大脑和心灵如果不是必然地相同一,也是相互联系得十分紧密的。这就意味着,虽然哲学性质的问题,像“为什么我们具有意识”?“意识内部和意识本身是什么”?困惑着科学家,但是他们还是可以追问更为适当的问题,“意识与什么种类的神经功能和机制相联系?”

后一个问题是当前主要研究工作的主题:心灵和大脑之间的关系方面的前沿问题。脑科学家用微电极,磁共振成像和x 射线照相法这类仪器探索新大脑皮层最深的部位,这些技术能够揭示许多与人类意识显现相联系的生理学机制。

F·克里克(Francis Crick)爵士和他的同事C·科切(Christoph Koch)宣称把注意力集中到理解意识现象的时机已经成熟,因而对意识进行科学研究的当代潮流就在1990 年开始了。他们说,意识与知道是同义词,而知道总是包含着注意和短时记忆的结合。由于动物和人类的视觉系统已经被较好地描述出来,因而研究者应集中精力于视觉知道。如果作为视觉知道基础的神经机制能较好地获得理解,那么更加复杂和微妙的心灵现象(像唯一为人类所具有的自我知道的特征)就有可能探究。

这些观点刺激了在意识研究方面的许许多多的努力,同时也引发了大量的争论。一些研究者注意到,克里克所倡导的那种“电生理学”理论是否足以解释意识,现在还不清楚。也许单独研究脑本身是不够的,意识的心理过程的每一个活动可能都涉及到整个身体。如果是这样,意识的神经模式就必须由认知(也许甚至由社会)理论来完善。

R·彭罗斯(Roger Penrose)和H·斯塔普(HenryStapp)这样的物理学家走了另一条路:他们寻找用连接大脑网络中的电子和其他微观粒子的量子过程来理解意识的钥匙。虽然一开始无人理睬,后来又受到攻击,但对意识过程采用微观物理学方法进行研究已得到了许多人的支持。这一方法的主要承诺是给出我们自由意志的感觉的原因。根据彭罗斯的观点,大脑利用量子世界的不确定效应(与波函数的“崩坍”有关)产生独立于初始状态的过程,这可以解释我们根据自己的意志作出选择的体验。对于大脑研究的量子方法的另一个承诺是解释大脑的各个分离的部分(有时还相隔相当的距离)是怎样能高度同时地发生作用的。这一方法的支持者们宣称,非局域性(一个粒子同时在一个以上的位置的能力)也是大脑中许多过程的特征。

尽管当前在意识方面的研究是有希望的,但科学家仅仅才刻画了作为人类意识基础的复杂神经学过程的表皮。正如我们已经指出的,我们面临的困难是相当大的。在我们大脑头盖骨中存在的灰色物质是处于大脑皮层顶端的一个高度完整的系统,它由约100 亿个神经元形成的六层膜组成,其中的相互连结几乎多得无法计数。这一高度复杂的大脑区域是由神经网络和神经团构成的,在这里神经元是由神经键通过它们的突触相连结的。大脑的层次系统的最基本、最内在的部分由脑干、视丘和视丘下部所组成,虽然它是一个等级结构,但整个大脑是作为一个整体进行工作的。脑干、视丘和视丘下部这些元素控制着初级的身体功能、荷尔蒙的分泌和自动行为过程,它们构成了P·麦克林(PaulMaclean)所描述的像“爬行动物脑”的东西。

大脑层次系统的中间部分是“古哺乳动物脑”,在某些低等哺乳类动物身上,如啮齿动物,它已经有了高度发展。它的内部结构被边缘系所统治,在这里神经元以复杂的反馈环形式排列。这一系统调节情感以及由基本情感控制的认知和行为。

大脑层次系统的最高要素称之为“新哺乳类动物脑”,它仅仅存在于人类,以及仅次于人类的高度进化的灵长类动物中。它由大脑皮层主宰,在这里细胞排列成柱状,横贯表皮。这样,大脑皮层就只有在表皮面积增长时才能生长,从而允许更多的柱状物有空间位置。对我们自己这一物种而言,大脑皮层的表皮已经长得非常复杂,且有高度旋绕的摺折,在柱状物下面,有神经纤维网络连结柱状物。

人类的新大脑皮层的一个典型的特点是它分裂成左右两个半球。对健康的人而言,两个半球联合工作,尽管它们具有各自的不同功能。左半球以前后相继的模式运作,连结原因和结果,理解普通常识和思想的线性过程,它是普通语言的中心和典型的大脑线性活动的中心。右半脑是通讯和相互关联的关键,它同时处理复杂的材料,描绘出知觉和认知的情感上的细微差别,但是它指向图像而不指向语言。

像这些发现与大脑中高级的和低级的心理功能都有关。但是,除了在心理状态的相当简单和基本要素方面,神经科学现状尚不允许构建细节方面的模型来显示大脑中的过程如何产生相应的心理功能,因为大脑高级功能的细节方面在本质上仍不知道。这些功能中最神秘的是抽象思维,微妙的感情状态和记忆。


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