自然的尺度，生命的尺度 | 壹读精选

图片来自网络
壹读微信号：yiduiread
选自星空天文网（微信号：cosmoscape）
文丨Gregory Laughlin
译丨 老孙
在大自然中，没有绝对的随心所欲。
一切皆有尺度，夸克间的相互作用，存在于不到10-19米的尺度上；可观测宇宙的边界远在1026米开外。生命的尺度是适中的。尽管细菌和病毒不到1微米大，最高的树能长到100米。生活在北美俄勒冈蓝山的蜜环菌，作为地球上已知最大的单一生物体，直径可达4千米。但是对于有感知能力的高级生命来说，它们的体型不会随心所欲。
会有例外吗？
现代计算科学告诉我们，要拥有感知能力和智慧，需要数以万亿计的“回路”作基础。我们大脑的基本单元是神经细胞，它们在本质上是一种专职的、协同工作的单细胞生物体。所以，未来能够复制我们能力的生物计算机，体型与大脑不会差太多。
约束：北美红杉的高度，是引力和蒸腾作用、水的吸附力、植物木质体表面张力等平衡的结果。lucky-photographer/iStock
更小的神经元存在于人工智能系统中。它们叫电子回路，它们比神经元小得多。但它们的行为方式也简单得多，因此需要有一系列的上层结构作为支撑（能量、冷却、通讯），这些结构体型庞大。也许第一种真正的人工智能系统，体型会和人体相差无几。无论它用什么材料和架构，都能让我们领悟到一个道理，“米”级体型存在着某种特别之处。
如果大脑和神经元的体型放大10倍，那么我们一生中的思维总量就会减少10倍。
生物的体型是否有上限？William S. Burroughs在他的小说《爆炸的车票（The Ticket That Exploded）》中，描写了一种隐藏在外星球地底的“大型矿物意识”，它们能够在“接近绝对零度的环境中，用晶体缓慢思考”。天文学家Fred Hoyle生动而可信地描述了一种有意识的超级智慧——“黑云”，其体型和地日间距相当。他的这种灵感来自“戴森球”，一种通过包裹恒星获取能量的超级建构。Fred Adams和我（本文作者）也通过计算证明，当今星系中最有效的信息处理体系，可能会出现在垂死红巨星喷出的浓烟中。包裹着红巨星的尘埃云能够在十万年期间，为我们提供充足的能量、熵梯度、原材料，维持十亿个行星生物圈所需的全部计算需求。
生命究竟能够生长得多大？拥有一个有趣的想法，不但需要复杂的大脑，还要有充足的时间。神经信号传递的速度大概是每小时300千米，也就是说，它穿越人脑大约需要1毫秒。每个人一生中，会发生大约2万亿次的信息穿越（且每一次都会被并行增强）。如果大脑和神经元的体型放大10倍，如果人的寿命和神经信号传递速度维持现有水平，那么我们一生中的思维总量就会减少10倍。
假如我们的脑子和太阳系一样大，假如我们的神经信号用光速传递，那么所有信息穿越所需的时间，会比当前宇宙的年龄还要久。我们根本没有时间演化。假如脑子和银河系一样大，那么自它诞生以来，信息从一端传到另一端的次数，总共不会超过10000。因此我们可以断定，像人脑一样复杂的生命实体，它们的体型尺度不会超过恒星。
环境对实体的约束，也会影响到生命的体型。北美红杉的高度受限于它们是否有能力将水泵到100米以上的高空，这与地球引力（让水往下落）、蒸腾作用、水的吸附力和植物木质体表面张力（将水向上提）有关。假定大部分宜居行星的引力和气压在地球的10倍以内，那么我们就可以估算出宇宙中生物体型的上限。
让我们假设生命只和行星、卫星或小行星有关，那么这些天体产生的引力，就会为它们设置一个自然尺度。天体越大，引力越强，与此同时，动物骨骼（或类似构造）就会受到更多的力。最早有这种想法的人，大约是1600年代的Christiaan Huygens。要承受更大的压力，动物必须增加其骨骼的截面积。压力的增长与体型的平方成正比。体型的变大意味着体重的增加，所以动物的生长如果毫无节制，最终就会被自己的身体压垮。一般来说，陆生动物的体重上限，会随着引力强度的增加而下跌。反过来，在一个引力强度低于地球10倍的行星上，动物的体型会高出地球10倍。
推测：荷兰科学家Christiaan Huygens在1722年的出版物中推测，行星的大小会对其表面的生物体型产生怎样的影响。Google Books
但是行星不能无限小——如果质量小于地球的十分之一，那么它就不可能有大气层。所以宇宙中生物体型的下限，应该是地球生物的十分之一。
体温也是一个问题。生物的体温不能过高。电脑芯片的设计者们，一直要面对发热的挑战。摆在生物面前的，也有同样的问题。身体是热量的来源，皮肤是散热的主要通道。所以大型动物散热的效率较低，因为它们身体和表面积——也就是“皮肤”面积的比率比较高。早在1930年代，Max Kleiber就已指出，动物基础代谢率水平与体重的3/4次幂成正比。如果产热率居高不下，大型动物就会被自己热死。哺乳动物的身体要保持正常运转，每1纳克体重必须至少产出万亿分之一瓦特的热量。由此估算受到热量限制的生物体型上限，结果大约是1百万千克（1000吨）。这个数值，要大于地球上现存个头最大的动物——蓝鲸的体重。
我们还可以合理地想像一种更大的“生物”。我们可以根据兰道尔计算能量下限原理，假设存在某种超重、超懒的多细胞生物，它的细胞分裂速度极为缓慢。那么对于这样的生物来说，主要的麻烦在力学方面。力学上的限制，会成为它体型的限制。这种超级生物的行为和演化，都是不可思议的。
Charles和Ray Eames的经典短片《十的次方（Powers of Ten）》拍摄于将近40年前，但它的影响是深远的。举例来说，它和科学中“数量级”评估方式的出现有关，而且直接启发了谷歌地球等地图应用软件。
《十的次方》给人带来的冲击主要来自微观世界和宏观世界的惊人对称。镜头从芝加哥湖畔的野餐一直推到亚原子尺度，又从地球快速拉到整个宇宙。
作为一种有意识的存在，我们竟能同时检视宇宙宏观微观两个尺度，仅仅是因为运气吗？
也许并不是。
更多内容请关注星空天文网（微信号：cosmoscape）。有一种学问让人心生谦卑。