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(Stellasun/编译)在我们的宇宙中,物体的大小从以夸克相互作用为标志的10^-19米量级,一直延伸至10^26米的宇宙边际。在这45个可能的数量级上,
我们所知道的一切生命都被限制一个相对窄小的区间里,
位于居中的大约9个数量级:细菌和病毒可以小于1微米,也就是10^-6米,最高大的树可以高达100米。生活在俄勒冈州蓝山山脉下的蜜环菌也可以被认为是一个生物体,它大概有4公里宽。当我们讨论已知的有知觉的生命时,它们体量的区间就更小了,只有大约3个数量级。

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vnsr威尼斯城官网登入 3蓝山下的蜜环菌(Armillaria
mellea)足足绵延了10平方公里之巨。图片来源:mymultiplesclerosis.co.uk

这一切能不能是另一个样子呢?

计算理论方面的进展表明,知觉和智能可能需要10^15个原始的“电路”元件才能发展出来。
既然我们的大脑是由神经元构成的,而且神经元本身实质上就是专门性、相互合作的单细胞有机体,我们便可以得出结论:生物计算机得和我们大脑差不多大,才能发挥出我们所拥有的能力。

可以想见,我们能在人工智能系统中制造出比我们的神经元更小的神经元。比如,现在的电路元件就比神经元小得多。但与此同时,这些“神经元”的行为也更加简单,并且需要大规模的上层建筑(能源、散热、内部通信等等)为它们提供支持。因此,第一批真正的人工智能很可能会占据和我们的身体差不多大小的空间,尽管它们基于的是本质上与人类大脑截然不同的材料和结构。这又一次暗示了米级大小的特别之处。

那么,数量级范围中靠右的一端有生命吗?在他的小说The Ticket That
Exploded
中,威廉•S•巴罗斯(William S.
Burroughs)想象在地表之下,生活着“一个接近绝对零度的巨大的矿物质意识,通过生成晶体思考”
。天文学家弗雷德•霍伊尔(Fred
Hoyle)戏剧化又令人信服地描述了一个有知觉的超智慧——“黑云”,它的大小和地日距离相当。在他的想法之后,又出现了戴森球的概念,一种将恒星完全裹住、并捕捉它的大部分能量的巨大结构。我和我的同事弗雷德•亚当斯(Fred
Adams)正在进行的计算也支持这种想法。我们的计算指出,在我们的星系中,目前最高效的信息处理结构或许会在濒死红巨星发出的黑风中被催生出来。在几万年时间中,被尘埃覆盖的红巨星会提供充足的能量,足够大的熵梯度,和丰沛的原材料,足以超过十亿个类地行星生物圈的计算力。

vnsr威尼斯城官网登入 4能造出戴森球的,至少是能够利用恒星级能量的卡尔达肖夫Ⅱ级文明。图片来源:earthsky.org

这样的生命形式究竟可以有多大?
有趣的思想不仅需要一个复杂的大脑,还需要足够的时间来形成。神经传递的速度大约为300千米每小时,这意味着信号贯穿人类大脑的时间大约在1毫秒左右。因此,人的一生中有两万亿次信息贯穿时间(而且每次贯穿时间都被丰富的大型平行计算结构有效放大了)。那么,如果我们的大脑和我们的神经元都变大十倍,而寿命和神经信号传递速率保持不变,我们一生的想法就会减少变少至原来的十分之一。

假如我们的大脑变得巨大,比如说,和我们的太阳系一样大,并以光速传导信号,贯穿同样数量的信息所需要的时间便会比宇宙当前的年龄还长,没有给演化留下一点时间。如果大脑和银河系一样大,问题就更严重了。从它形成的那一刻起至今,时间只够10000个左右的信息从星系一边贯穿到另一边。这样看来,我们可以说:和人类大脑复杂度相似、大小又在天文量级的类生命个体是很难想象的。
就算它们真的存在,也没有时间实际去“做”任何事。

令人惊叹的是,环境对物理身体的制约也将生命限制在了智能所需的大致尺寸上。最高的红杉树的高度被输水不能超过100米所限,这是一个由地球引力(阻止水向上流)与蒸腾作用、水的粘附力和植物木质部表面张力(向上输水)共同决定的极限。如果我们假设绝大部分可居住行星的引力和气压与地球的差别都在10倍以内,生命就还会处在这个最大极限的几个数量级之内。

vnsr威尼斯城官网登入 5生长在加州美洲杉国家公园里的巨大红杉树,最高也不会超过100米。图片来源:lucky-photographer/iStock

如果我们进一步假设绝大部分生命都被局限在行星、卫星或小行星上,那么引力也会设定出自然的尺寸量级。行星越大,引力越强,作用在假想动物的骨骼(或者它们身上的无论什么类似的结构)上的力就会增加——最早在十七世纪末,克里斯蒂安•惠更斯(Christian
Huygens)就讨论过这一点。因此,这种动物需要增加其骨骼的横截面积,来承受更大的受力,增加的速率是体形增长速率的平方级。可是,这些打造身体的努力最终仍然是适得其反的,因为体重增长是体形增长速率的立方级。总的来说,引力越大,可运动的陆生生物的最大体重就会随之线性变小。相反,一个只有地球引力十分之一的行星可能拥有比地球动物大十倍的动物。

但行星也不能无限小:如果太小(小于地球质量的十分之一),行星就无法通过引力吸引并保持住自己的大气层。我们又一次被限制在了与地球上大小相差10倍左右的量级上。

生命还需要散热。电脑芯片设计师始终面临着排出计算产生的热量带来的挑战。生物也面临着同样的问题:大型动物有更高的体积-表面积(或者说“皮肤”)比。由于皮肤负责为动物散热,而体积是热量的来源,所以大型动物更不易散热。正如马克斯•克莱伯(Max
Kleiber)于上世纪30年代首次指出的那样,地球动物每千克新陈代谢速率按动物体重0.25次方的比例下降。确实,如果加热速率不下降,大型动物们真的会把自己烤熟(就像阿提什•巴提亚(Aatish
batia)和罗伯特•克鲁维奇(Robert
Krulwich)最近解释的那样)。假设已知最小全身新陈代谢速率——一万亿分之一瓦特/纳克是哺乳动物的生存所必需的,我们就得到了有机体被热力学所限制的最大体量:略大于一百万千克,或者说比蓝鲸(地球上有史以来最大的动物)稍大一点。

原则上说,人们可以想象远远比这更大的“生物”。如果从描述计算所需最小能量的兰道尔原理(Landauer’s
principle)出发,并假设一个超大、超慢的多细胞生物体的能量来源只投入在缓慢地繁殖它的细胞上,我们便会发现机械支持的难题超过了热传输,成为了生长的终极限制。但是在这样的数量级上,我们并不清楚这样的生物会做什么,或者它是如何演化出现的。

查尔斯• 埃姆斯和雷• 埃姆斯(Charles and Ray
Eames)的经典短片《十的次方》是在将近40年前拍摄的,但它的影响源远流长。比方说,此片与数量级估计成为科学课程的标准内容不无关系,它也是谷歌地球这类地图软件应用设计的直接灵感。《十的次方》的冲击力被向内推进的叙述(观众的量级从芝加哥湖边的野餐缩小至亚原子核级别),与向外拉大的轨迹(视野快速从地球拉远,让观众看清地球及其居民在广袤宇宙面前的比例)之间惊人的对称放大了。

vnsr威尼斯城官网登入 6从广袤的星系,到亚原子核级别的粒子,《十的次方》向人们直观地展示了“量级”。图片来源:iconeye.com

作为有知觉的生物,我们得以仰观宇宙之大、俯察品类之盛,难道只是因为幸运吗?或许不是。(编辑:Stellasun)

参考资料:

  1. Koch, G.W., Sillett, S.C.,
    Jennings, G.M., & Davis, S.D. The limits to tree height. Nature 428,
    851-854 (2004).
  2. Kleiber, M. Body size and
    metabolism. Hilgardia: A Journal of Agricultural Science 6, 315-353
    (1932).
  3. West, G.B., Woodruff, W.H., &
    Brown, J.H. Allometric scaling of metabolic rate from molecules and
    mitochondria to cells and mammals. Proceedings of the National
    Academy of Sciences 99, 2473-2478 (2002).

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