論生命和宇宙起源科學認識的未定性

2020-12-05 鄧如山

地球上最早的生命起源於什麼時期?1999年,澳大利亞的一個古生物化學團隊在一塊距今27億年的化石中發現了一種生物標誌物,該發現將藍藻最早的產生時間至少向前推進了5.5億年,把真核細胞最早的產生時間至少推進了10億年。巖石內的生物標誌物可能在沉積物內形成之後滲入到巖石體。一些科學家相信,地球上最早的生命形態為一種單細胞體,它們被稱之為原核生物體,在原核生物體之後出現了藍藻,它是一種通過光合作用產生氧氣的細菌。地球上最早的生命形態至少出現在27億年之前。科學家曾在格陵蘭島的一塊距今38.5億年的巖石內發現了碳元素,根據碳同位素的分析,他們推測了這些碳元素不是來自於自然界的無機碳,而是來自於生物體的有機碳,科學家由此將地球生命的起源時間推進到距今38億到40億年之前,相當於在地球誕生之後的5到6億年出現了最簡單的生命形態,從最簡單的生命細胞到最複雜的人體生命組織,地球生命至少經歷了大約40億年生生不息的演化過程,其中的人類生命史相當於地球生命史的「滄海一粟」,而人類文明史相當於人類生命史的「冰山一角」。

地球在大約46億年前形成,經過了大約1億年時間的逐漸冷卻過程,它從一個熾熱的巖漿態轉變為一個冷寂的巖石態球體,呈熔融狀態的高溫地球在旋轉過程中產生了物質的「分層效應」,重元素的物質下沉到地球的中心,凝聚為地核;輕的元素物質上浮,聚合為地幔和地殼。地球的原始地殼在大約38億年前形成,月球表面的巖石與地球地殼的年齡相同。在古老的原始地球出現了原始的海洋、大氣圈和大陸地貌,那時的地球表現了劇烈的地質活動,熔巖四處噴湧、流淌,火山噴發頻繁、急促,地球「煉獄」的景觀好像今日「葬身火海」的金星。就像在今日金星的表面不可能出現生命活動的痕跡一樣,在地球誕生之後的數億年不可能生長生命的萌芽。地球在41億年到38億年之前遭遇了不間斷的小行星與彗星的撞擊,月球在同一時期同樣遭受了大量小行星和彗星的轟擊,在月球表面留下了連綿的隕石坑。

地球生命的起源存在很多種假說和猜想,我們將地球生命起源的學說概括為兩大類型,第一種類型是宇宙生命論、或生命外在論,第二種是地球生命論、或生命內在論。宇宙學家普遍相信生命來源於外太空的觀點。2013年,德克薩斯理工大學的古生物學家提出了一種生命起源於極早期地球隕石坑的「坩堝理論」,在外太空孕育的生命有機分子、或「生命種子」從天而降,原始的外太空生命分子隨著彗星和小行星撞擊地球的天文事件到達了極早期地球的隕石坑,大約在40億年前,最早的地球隕石坑集聚了生命分子、水、地熱能量和構成生命物質的各種化學元素,鑄造第一個簡單生命體的隕石坑好似一個「生命熔爐」、或煉製生命細胞的化學「坩堝」。生命內在論是一種化學起源的學說,地球的非生命物質在「陽光雨露」的環境中經過了極其漫長的化學反應過程,最終形成了「從無到有」的生命有機體。1953年,美國芝加哥大學的研究生在導師的指導下完成了著名的「米勒實驗」,該實驗證明了原始地球在電閃雷鳴的大氣中能夠產生有機物質胺基酸,通過無機物質的大氣混合物合成了有機物質的小分子,生命起源的化學反應學說得到了實驗的檢驗。

宇宙是怎樣起源的?目前,宇宙起源的主流理論為美籍俄羅斯物理學家伽莫夫以廣義相對論為基礎在1948年提出的宇宙大爆炸學說,美國天文學家哈勃通過星系光線的紅移現象發現了宇宙大膨脹,對宇宙光線的紅移、宇宙微波背景輻射、宇宙元素物質的豐度的天文觀測有力地證實了宇宙大膨脹現象,在宇宙發生大爆炸之前,科學家不知道物質和能量、時間和空間為何物、或者宇宙學家不能描述宇宙的「史前史」,某種未知的量子真空漲落機制和能量時間關係的「不確定性原理」導致了一個幾乎無限密度、無限壓力和熱輻射的「宇宙奇點」發生了「勢不可擋」的宇宙大爆炸,從宇宙誕生的「普朗克時間」到大約137億年後的今日宇宙,物質結構完成了從夸克到原子核、從原子到分子、從行星、恆星到星系、從無機生命體到有機生命體的各種演變過程,

宇宙的起源存在很多種假說和猜測的模型,我們將宇宙起源的學說概括為兩大類型,第一種是單一宇宙起源的類型,第二種是多重宇宙起源的類型。1980年,美國的物理學家、宇宙學家阿蘭·古斯在熱大爆炸理論的基礎上進一步提出了宇宙極早期的暴漲模型,宇宙在誕生時刻的膨脹速度遠超過了光速,在10的負34次方秒的時間,宇宙的空間體積擴大了10的78次方倍。古斯的暴漲模型允許宇宙的物質和能量「無中生有」,真空狀態不是一種一無所有的「虛無」,宇宙的真空能量實際上高於宇宙物質的引力能量,真空能量是一種特殊的、以量子理論描述的物質和能量的形式,量子化、虛無化、反引力性的真空能量在量子尺度的時空引起了極早期宇宙的暴漲,在宏觀星系的尺度引起了後期宇宙的加速膨脹。2017年,普林斯頓大學的斯坦哈格特提出了一種多重宇宙的碰撞學說,我們的宇宙表現為四維時空,它是由兩個三維的宇宙經過大碰撞形成的,「雙宇宙」的碰撞模型、或「影子模型」與伽莫夫的宇宙大爆炸理論和古斯的暴漲理論有很大的分歧,「大碰撞理論」認為宇宙起源於兩個「原始宇宙」的大碰撞,而「大爆炸理論」認為宇宙起源於一個「奇點」突發性的暴漲。

生命起源的「地球論」和「太空論」符合哲學起源論的「等效原理」,構成生命物質的胺基酸即可能從小行星和彗星在撞擊地球時產生,也可能通過早期地球自然的「米勒實驗」出現。宇宙起源的「奇點論」和「多重宇宙論」符合哲學起源論的「等效原理」,從單一的量子宇宙模型和多重的宏觀宇宙模型都能得到現在的宇宙狀態,在多重宇宙「大碰撞」的模型中,兩個三維的宇宙在超級大碰撞的過程中「粘合」起來,大碰撞的雙宇宙動能轉換為一個宇宙的「暴漲」能量,夸克和電子、光子和中微子以超光速的運動向外膨脹。既然存在地球生命起源的「內在說」和「外在說」、或生命起源於地球自身無機物質、水和地熱能、電能在特定條件下發生的化學反應和生命起源於彗星、小行星撞擊地球之後帶來的「生命種子」,那麼我們目前不能判斷生命究竟是起源於地球、還是起源於外太空,地球生命來源的不確定性反映了哲學認識論的「不確定性原理」、或「認不準原理」。既然存在宇宙起源的「大爆炸理論」和「大碰撞理論」、或宇宙起源於單個「奇點」的暴漲和宇宙起源於多重宇宙相互作用的「大碰撞」,那麼我們目前不能判斷宇宙究竟是起源於單個宇宙、還是起源於多重宇宙,宇宙起源的不確定性反映了哲學認識論的「不確定性原理」、或「認不準原理」。到目前為止,宇宙學的兩個基本問題:生命的起源和宇宙的起源仍然在人類的科學認識能力之外,人類對生命和宇宙的認識遠未到「科學的終結」的時候。地球生命和宇宙起源的「未定性」符合哲學不確定論的「等效原理」。

(宇哲手稿:2019-5-17

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