《物理世界产生生命》《创新物理学》之二

                                  李小坚1),龚劫存2)

摘要:本文定义了物理世界生命系统的基本三要素:可复制、可计算和物质性。利用生命游戏中滑翔机机制具有图灵计算机的特性,发现用G-弦描述的质子和中子具备滑翔机特征,表明生命的种子嵌入在物理世界的最底层,并指出物理世界中从物质到生命的产生过程是一个从四色理论系统变换到七色理论系统的过程。

一、引言

物理世界能够产生生命吗?这个问题问得有点傻!因为这个物理世界已经产生了那么多的活生生的生命,包括你和我。所以,答案很自然明白。但是物理世界是如何产生生命的这个自然之谜,却还没有完全揭开。任何一个物理或哲学理论不能够给出如何产生生命物质与生命的解释,都不能成为终极理论。那些无视这个简单事实的人,明摆着不是无知就是装傻。

虽然活生生的生命出来以后,他们遵循的是生物定律,但并不意味着生物定律不遵守物理规律。我们都知道:生命是由无生命的物质支撑的。光合作用将水、二氧化碳和阳光的能量转化为生命物质和氧气。实验证明氨基酸可以在封闭的空气中产生出来。生命的基本分子(如:氨基酸、糖类、核苷酸等)都可以从简单的分子中形成。例如:氢氰化物分子结合在一起变成腺嘌呤,甲醛分子结合在一起合成糖分子,尿素可以从氢气、氮气和二氧化碳合成生产出来。

表面上看,生命物质与无生命物质的区别不是很明显。光合作用可以将无生命物质转化为生命物质。脱氧核糖核酸DNA储存、传送和处理各种生物信息,并控制并产生各种生物过程,如形态、代谢和繁殖等。生命物质和生命也还有一定的差别。简单地说:生命物质脱离生命体就是死的物质,而生命是活的东西。生命还有更复杂、更深刻的含义。

 二、生命是什么?

生命是什么?这是一个古老而现实的问题。自从人类的出现,就在探索生命是什么。今天,像人这样的有自我意识的生命,一直在寻求生命的起源、生命的本质和生命的意义,直到现在还没终极答案。物理学家当然也从来没有放弃过思考生命,并试图用物理原理来解释生命。

诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔的《生命是什么》[1]以及《意识和物质》研究了那些自古以来就使哲学家困惑迷离的问题,被公认是20世纪的伟大科学经典之一。

生命的认识和定义:从新陈代谢的角度,早在19世纪下半叶,恩格斯对生命下了一个定义:“生命是蛋白体的存在方式,这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢,而且这种新陈代谢一停止,生命就随之停止,结果便是蛋白质的分解。”生物体蛋白质由20重氨基酸组成,调节控制着生命的新陈代谢。

从遗传学的角度,通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统。其主要物质核酸是由碱基、戊糖、磷酸组成。根据核酸中所含戊糖不同,可将核酸分成核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。核酸控制蛋白质的合成,决定蛋白质的性质。可以说,蛋白质和核酸两者互相依赖、互相作用,使生命体成为一个统一体。但是已知某些病毒样生物却无核酸。

生命的属性有很多,如:出生、死亡、生长、进化、新陈代谢、繁殖等。生理学角度把生命定义为具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性等功能的系统。但某些细菌却不呼吸。

生命的高级形态有一些独特的属性,如情感、意识、智力、精神渴求等,生命有了感情色彩。一些低级生命在一定程度上也许部分具有这些属性,只是在较低的层次上,或者还没有完全揭示出来。

一台又一台机器制造出来了,一台又一台地消亡了。但是,一台机器的出生和消亡与生命的诞生和死亡有很大的不同。一台机器可以在一段时间内,一个部件、一个部件地制造出来。但一个生命一般以一个整体同时诞生,并可以不断地成长。换句话说,生命与物理时空交织更为紧密。

有些机器甚至有某种智能,比如智能机器人,但是他们从外部获取智能。而生命获得智能似乎是自发的内凛的。也许,自发性可以作为一个标杆来区分生命与非生命。但一些神学家可能会反对,因为他们坚持这种说法:机器人接收来自人类的智能,而人类智能来自上帝。总之,没有真正的自发性。

然后,有热力学第二定律:所有非生命的封闭过程都从有序变为无序,即熵增加了。但是所有的生命过程都是为了减少生命系统中的熵,而这一切都是以从外部环境吸取能量物质并向外排除出有序度低的热量为代价的。虽然全球的熵是永远地增加,生命总是创造一个生命成长的小环境:在它的皮肤下,在它身体里,熵不断减少和秩序不断增加。因此,增加或减少熵的过程中可以用来作为一个生命标杆,以确定生命是否活着。至少在原则上,生命进程是一个熵减少的过程。一个社会也可以创造更多的规律和秩序,也可以是一个熵减少的过程,但它并不是一个生物的生命个体。另外,一个远离平衡态的非生物的开放系统也可以从环境中交换物质、能量和信息,从而实现该系统熵的减少。

所有的熵增加过程都是自发的,但所有的熵减少过程只有发生在非常复杂的信息处理条件下,以及进行能量和物质交换的情况下发生。所以,熵自然也不是一个好的标杆来定义生命。因此,我们还必须找到一些其它的标准来定义生物的生命本质。

今天,几乎所有的生物学家都认为任何生物实体或生命系统都可以看作为一个图灵(通用)计算机存在。也许,一个生命实体或生命系统的计算能力可以作为生命的标杆。但世界上已经创造出那么多计算机,最强大的超级计算机的计算能力已经远远超出任何一个人的计算能力,它们是不是生命活物?显然,仅凭计算能力也不足以定义一个生命。

随着科学的发展,现在的人工智能创造出机器智能和机器人,它们越来越接近人的智能水平,深蓝计算机系统的下棋水平不仅比一般人还强,就连国际象棋大师卡斯帕罗夫都败在这种计算机面前。我们还可以模仿自然界的生物,创造出人工生命之类的东西。

如今生命与非生命的界线越来越模糊,越来越难以划分。

在所有这些讨论之后,我们仍然很难对生命有一个全面准确的定义。那么,我不去尝试定义什么是生命。但简而言之,对任何生命实体或生命系统的最低要求是要活的。

更进一步说,我们只对生命列出两点基本要求:

首先,它必须能够并进行自我复制。

其次,它必须有一个通用的计算核心并进行运算。因为所有的生命过程需要图灵计算机那样进行一次又一次的迭代和计算。

有了这个新的定义,一个无形的生命,如:某类计算机程序、人工生命、灵魂和精神都有可能成立。因此,以上两条包括了自然产生的生命和人工制造的生命,有形的和无形的。但是这两个要求具有正在进行时,这表明是一个活的生命。否则,生命停止,死的东西。

然而,对于任何生物生命,我们提出第三个要求是应该具备必要的生命物质,有形的生物生命必须具备必要的活机体。

我们从以上三点来探索生物生命起源的最基本的基础。核心实际上就是探索物理世界是否存在有生物处理器。答案是肯定的,但答案在哪里?最最基本的生物处理器在哪里?20多年前,龚先生在第十九次世界哲学大会上提出了新发现[3]。着急的读者可以直接看第五部分。

 三、生命产生的过程

生命最初从何处而来?有人认为地球生命是从外太空来的,那我们探索生命的最初形成过程就要依靠发射太空飞船到茫茫太空中寻找。而我们地球到处都是生机勃勃,我们为什么要舍近求远呢?

今天在海底火山口人们认为不可能有生命的地方,出人意料地发现有多种不同于地表面的生物存在。他们所处的环境如同40亿年前的地球表面,到处火热滚烫,生命就是在这样的条件下产生了。这些生物利用地热高温与远处低温的温差,原子分子开始有序排列,最先形成一种线粒体。线粒体具有电化学梯度,它的正电一端连接能量高的地方,负电另一端连接能量低的地方,能量在它们体内流动利用。线粒体就像电池组为生物体提供能量。建立了能量通道,就能驱动生物体运行,从而点燃了生命发动机的火花。它们互相连接可以构成各种复杂形态,从而具有各种不同特性和功能。大约35亿年前,单细胞的生物出现了,于是生命之光出现了。这样的细胞开始分化,多样性和复杂性出现了。其中一部分被反复复制即成为遗传基因组,大约有30多亿个基因组。一些基因固定下来并高度精确复制,生命之火,代代相传,生生不息。一些基因遗传变异以适应新的环境和功能,形形色色的生命诞生了。

地球最初只有简单的化学物质,然后产生了氨基酸,蛋白质,线粒体,单细胞,逐渐形成植物和动物。今天的地球上有超过百万种不同的生物,科学界发现地球上所有生命的最后一个共同祖先露卡(Luca)。它很可能是一个单细胞有机物,它具有现代有机物所具备的所有基本组成部分。从露卡的诞生往后的时间里,主要过程是生命如何进化的。

总之,地球只有一棵生命树。为什么只有一棵生命树?人与猩猩的基因组有96%相同,人和鼠类基因相似度达85%。

几乎所有生物生命中都有一个共同种类的左旋分子,即都是左撇子。地球上生物的这种生物对称性破缺的不是生命的新陈代谢系统的缘故,即左旋物种只能消化左旋生物分子,而是物理定律所造成的。生物对称性破缺与初等粒子物理对称性破缺有关系。可以用K和B介子衰变的表达。

对称性破缺是物理学的基本原理。对称性自发破缺思想在大统一理论中得到了进一步的应用和深化,

现代科学揭示, 从原子到人类, 自然界对于手征是不对称的。在我们周围的世界里, 通常显示对其中一种手征性的偏爱, 如贝壳一般都有一个偏爱的螺旋性。人类在结构和功能上是手征性的。为什么大多数人使用右手? 有人认为手征性是固有特征, 一旦右手征性获得优势, 它将保持下去。为什么在生物中, 尤其是高等动物中这种选择是特有的, 是什么力量在所有生物体内, 从左、右化合物中挑选出一半呢? 有人将此现象归之于对称性自发破缺或者称为自发的对称性破缺。但自发对称破缺是随机的还是固有的?随机性无法解释地球上各个地方蛋白质和核酸都具有同一手性的事实。这个问题至今困扰着科学家, 如果说生命起源是个谜, 那么生命起源中的对称破缺则是谜中之谜[2]

1956年前后,在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了“t ~ q 疑难”。实验中发现的t 和q 粒子,它们质量相等,电荷相同,寿命也一样。但它们衰变的产物却不相同。
1956年,李政道和杨振宁解决了这个难题。他们提出弱相互作用过程中宇称不守恒的设想,吴健雄的钴60原子核b 蜕变实验验证了这个设想。1957年,吴健雄在10-2 K下做原子核b 衰变实验,用核磁共振技术使核自旋按确定方向排列,观察b 衰变后的电子数分布,发现无镜像对称性,证明了弱作用的宇称不守恒性。

1957年李政道和杨振宁获诺贝尔物理奖。

生命向我们显示的乃是宇宙不对称性的功能。宇宙是不对称的,生命受不对称作用支配。Prigogine 学派发现物质在远离平衡条件下可以从无序中产生有序,即自组织理论学说。原子分子在温差下能引起非平衡态扩大,从而导致模式的选择。开放体系并远离平衡态,线粒体、氨基酸和单糖体选择机制,有可能揭开生命起源中对称性破缺之谜。

考夫曼(2004)说,“某一天,共同演化的自主主体的一组行为偶然碰到了一起,并通过遗传变异和奇异的分子运动而得到了强化,这些分子运动可以捕获光子、检测能源,它们是‘精粒化’分子的有意识演化,并从此之后日复一日,年复一年地一直如此演化”,表明分子底层具有某种意识,赋予了分子的生命进化的可能!但这种意识是什么物理机制产生的呢?

我们物理世界中弱作用宇称不守恒对称性自发破缺影响着我们这个世界的一切。不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界,包括人类自身,都是对称性自发破缺的产物。

至少可以这样说,在原子、分子层面,甚至在物理世界更底层,人类解释生命和生命现象,揭开物理世界中生命起源之谜已经近在眼前。

 四、康威的生命游戏

在1936,艾伦图灵发明了一个图灵机,这是一个理想的计算机。今天的超级计算机也没有达到它的无穷能力。

1970年康威(John Horton Conway)希望找到一套最简单的规则可以超越通用图灵计算机的无穷能力。他发明了一种数学游戏:生命游戏LG(life game)。LG游戏放在一个虚拟的与围棋棋盘那样的平板上,不同的棋子是一个细胞,放进任意一个正方形格子里。细胞只有两个状态:活着或死了。每一个细胞有八个可能的邻居,即接触它的四个边以及它的四个角上的邻居。只有三条规则。

出生规则:如果一个死细胞在下一代(一步)中存活,只有当八个邻居中的三个现在还活着。

生存法则:如果有两个或三个邻居,一个活细胞将在下一代中存活下来。

死亡法则:如果有超过三个居住的邻居,一个活生生的细胞就会死亡;如果有少于2个的话,它也会死亡。

有了这三个简单的规则和几个随机种子细胞在板上,许多模式出现。他们中的大多数人很快就定居在稳定的模式中。图1显示了这样一个模式。0代细胞由4个活细胞组成。很显然,每一头的2个细胞太孤独暴露必须在下一代中死亡,并在中间2个细胞的两侧各有2个细胞将诞生。因此,1代将包括6个活细胞,形成一个长方形。然后,在1代中间的2个细胞必须死于过度拥挤,上下两头将诞生2个新细胞。第2代形成大致类似于蜂窝的形状,因为每一个活细胞在蜂窝恰有两个活的邻居。以后这个蜂窝状态是稳定不变的,除非外部扰动。

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图1显示了一个细胞生存稳定模式

我们建造的每台计算机都必须有计数器,时钟,内存,这些器件都是基于双稳态的电子器件构成。所有稳定不变的模式对构建一台计算机是没有用的。为了证明在生命游戏的规则中,能产生一个嵌入式的通用的图灵计算机,并显示,生命的游戏还可以产生一些有用的运动方式。我们来看以下模式。

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图2显示了一个滑翔机模式

图2显示出这种模式的运动过程:从0代到1代,从1代到2代,从2代到3,最后,可以看出从3代又回到0代,但它在右侧下移了一列。最重要的是它不仅回到了原始的形式,而且实现了行走。这种存在于生命游戏中运动方式,它被称为滑翔机(glider)。这个滑翔机由5个活细胞组成。

虽然滑翔机具有两个属性:自我复制和步行,康威必须找到一个滑翔机发射器,可以发射一连串的滑翔机。为了证明这种生命游戏,事实上就是一种通用计算机,麻省理工学院R.威廉Gosper在1970年十二月发现滑翔机发射器产生一串串滑翔机流可以代表逻辑位,所有逻辑门运算(与、或、非门)可以产生。

所以,康威成功地实现他最初的目标。生命游戏的简单规则的工作模式已经被证明是通用图灵计算机。生存或者死亡是一个问题。生命游戏这类生存与死亡模式推出一个新的学科,它被称为人工生命科学。事实上,龚先生在20多年前有重大发现:生命游戏这种通用图灵计算机嵌入在宇宙每一个角落。

 五、质子、中子都是滑翔机

前面的生命游戏只是一场纸面游戏,或是计算机虚拟空间的细胞生存与死亡游戏。在早期的个人计算机中有这样的一个独立的游戏小程序:随机撒下一批细胞种子,经过一段时间的迭代运行,大部分细胞死亡消失,有几个形成稳定模式,有的形成多周期循环稳定模式,有少量的细胞就是滑翔机模式,周期循环并移动。这些随机运动模式缺乏任何生物生命的意味。生活游戏甚至没有给出生物生命如何产生的如何一点点提示。

但是!但是!如果?如果?如果滑翔机某种图形模式是一个物理世界的物质,如:质子或中子,那么,生命游戏会立即在物理世界中产生物质生命。当滑翔机成为这个世界的基本建筑模块并具有了质量,它就变成了一个个实实在在的物质生命或生物生命。根据GM前夸克理论,可以发现:无论是质子还是中子都是滑翔机!下表是质子和中子的前夸克(Prequark G-string)表示。它们,事实上,都是滑翔机。质子是一个由角子组成的滑翔机,中子是一个由空子组成的滑翔机。

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表1  质子和中子的前夸克表示与滑翔机比较

与康威的生命游戏证明带有一串串滑翔机的系统是一个图灵计算机系统一样,前夸克模型表明质子和中子都是滑翔机。如果它们一串串地发射流动起来,它们就成为物理世界自然产生的计算机。根据我们的定义,质子和中子这样的滑翔机物理机制就是生物CPU,就是生命的种子。那么,生命的种子散布在宇宙各处,深深地嵌入到每一个原子、分子的最底层,亚原子粒子层!同时表明,正在运行的宇宙就是一台最大的计算机。你我置身其中,你我都是生物计算机!当然,你我都是高级生命!

因此,生物生命与无生命系统的区别不是物质,而是过程。万物都有灵性,不生即不灭。既有生,就有死。众生平等,皆有生、长、住、亡的过程。我们先不讨论这些哲学问题,我们更主要关注物理过程。

生物生命有2个非常重要的过程:

1 自组织过程—从混乱到秩序。这部分前面已经有过论述。

2 形态发生过程—从简单到复杂。

 六:从简单到复杂

从物理学的基本规律到生命现象的高度复杂性之间仍然存在着一个巨大的鸿沟。虽然我们知道天气的基本气象规律,但我们仍然不能准确预测每时每地的天气。正如一个人知道围棋所有的规则,但他不一定能发挥好。

我们需要找出新的定律来填补这一空白?是的,一个数学上非常引人注意的理论,它被称为自相似原理,这是分形几何的本质。这意味着,通过重复一个非常简单的迭代计算模式,简单的相同的希尔伯特曲线可以构造物理现实世界的复杂性[4]

自相似原理引出的是分形几何中的拼贴定理:它指出所有的复杂系统都可以用分形空间来表示。而且,所有的分形空间可以由二值代码空间,如(0,1)或(A,V)符合表达。也就是说,简单性产生复杂性已经被数学定理予以确认。

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图3 一个简单的希尔伯特曲线
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图4 一个由拼贴定理构成的图形—生命树

我们需要一个更全面、更准确,能够支配一切和包罗万象的生命理论,将物理定理、数学定理和生命理论要融合在一起,包括解释智能、意识和情感。

描述一个具有自我特性的个体的数学理论是四色定律。描述一个具有生命特性的系统的数学理论是七色定律。

事实上,前夸克理论所描述的一代层的质子和电子就是一个四色理论:(红位、黄位、绿位、无色)四色模型。等价于一个球体拓扑结构。

因此,质子作为生命物质的基础,仍然是物质的范畴。质子作为生命的种子,仅仅是具有自我特性,能回归自己。要想成为生命,还要进行动态扩展,进入生命的生、长、住、亡的生命过程,才能成为活的生命。即采用七色理论描述生命系统,数学上等价于一个面包圈的拓扑结构。生命如何从球体变换成面包圈的过程已经可以用数学理论来描述了。物理世界也的确已经发生了从四色理论系统变换到七色理论系统的辉煌创造。

“生命如此美丽!生命如此辉煌!生命如此伟大!”

生命探索已经进入大物质、大数据、大计算和大智慧伟大时代,必将产生美丽辉煌的结果。

 七、经常问的问题

问:我不同意所有活着的东西,必须能够处理信息。除非有人把细菌和植物视为处理信息,因为它们是活着的。

答:即使病毒也必须能够处理信息,以解码其主体的(或受害者)的化学代码。

问:原子结构的定律产生生命的化学反应,而化学反应几乎完全独立于质子的结构。

答:是的,这是真实的,但原子结构的定律不能拓展成一个通用的图灵计算机。生物CPU,这是一个信息处理设备的力量。

问:看看其他行星,在那里可以找到数百万亿亿的质子和中子,但没有看见有生命的生物。

答:质子和中子是生命的种子。只有在正确的条件和正确的过程中,种子才能发芽。另外,谁又能否认,外星不存在生命。

问:一个质子的性质,这是量子力学的范畴,可能没有真正的或完整的方式与滑翔机相比,这显然是经典。也就是说,滑翔机只依赖于一些简单的规则,而质子的性质则更为复杂。

答:滑翔机不是质子,质子是滑翔机。

问:滑翔机和质子之间的相似性必须是被人为地确定。只有质子结构为[ u(red), u(yellow), d(blue)]才是一个滑翔机。质子结构为[ u(red), d(blue), u(yellow)]是不是一个滑翔机。

答:因为S(3)的颜色对称性,两者的质子结构是相同的。

八 结束语

关于智能的产生,意识的产生,情感的产生,关于生命的高级属性,生命的意义,物理、数学和生命的统一理论。我们将另外著文描述。

这些工作是不是太跨界和太穿越了?我们认为,这些在我们的终极物理理论中仍然有特殊的地位。

参考文献:

1  埃尔温·薛定谔的《生命是什么》,湖南科学技术出版社2003年09月 ISBN:9787535737229,

2  王文清.生命科学中的物理问题讲座第二讲生命起源中的对称性破缺  《物理》,1994(2):116-120

3  Tienzen (Jeh-Tween) Gong ,The Rise of Biological Life,

Presented at 19th World Congress of Philosophy, 1993

4  齐东旭 关于计算机辅助几何造型数学方法的若干注记

《北方工业大学学报》,1991(1):1-8

5  Nature:现代生物的最后共同祖先——“LUCA”

Nature 456, 942-945 (18 December 2008)

6  地球生命从何而来?科学家揭示生命起源的奥秘

凤凰科技,2015年06月09日 07:13

7 科学网—一个新理论:生命在光系统的演化中扬帆启程! – 谢平的博文  http://blog.sciencenet.cn/blog-1475614-848053.html

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