生命是什么科学界流传着一则耐人寻味的笑谈一位物理学家心怀对大脑的无尽好奇向神经科学家求教“请跟我讲讲大脑吧”神经科学家略一沉吟答道“它有两个半球。”谁料物理学家立刻打断他“停你讲得太多了”我确信我的生物学界朋友会因我在本书中略过的细节而感到沮丧。关于地球生命的种种丰富细节我实在难以一一触及只能忍痛割舍连我自己也深感遗憾。事实上理论物理学的精髓恰在剔除无关细节透过繁复的表象揭示万物运行的深层逻辑。它并不会试图挖掘有关生命形态的全部细节这是一项不可能完成的任务我们真正致力于寻找的是贯穿宇宙中所有生命形式的共通规律这些生命甚至可能超出地球范围或仅存于我们生物圈的过去或未来。为了能够对这些超越时空的现象做出解释这些共性必然高度抽象。此刻我坐在后院身体在引力的作用下紧贴着椅子而头顶那轮明月同样因地球引力被牢牢地固定在既定轨道上。若不了解引力定律我们就会觉得这两者遵循同一规律听起来荒诞不经。牛顿最初发现这一定律时必须摒弃所有的具体细节。衣着、声音、情绪对我个人而言至关重要对引力计算却无关紧要月球由氧、硅、镁、铁、钙等化学元素构成地核主要由铁元素组成地球表面71%的面积被水覆盖智人的演化历史长达30万年……这些复杂因素在引力计算中同样无关紧要。在计算引力大小时我们只需要考虑两个物体的质量以及质心之间的距离这就是万有引力定律的本质。该定律成功将天体与地面运动统一起来无论是我稳坐在椅子上还是月球绕地球运行所有运动都遵循相同的数学法则。如今我们已将这种统一性视作理所当然但在漫长的数十万年演化历史中我们的祖先并未察觉。物理学家正是凭借这一技巧触及了现实的本质精准地筛选出关键细节剔除了其他无关紧要的冗余信息。具备了这种能力我们就能够通过数学这一严谨且具体可证的方式将那些看似毫无关联的事物统一起来。在探讨运动时我们无须纠结于不同运动物体的细节差别不必深究它们的材质、形状、颜色等诸多复杂因素在计算运动轨迹或引力大小时我们只需聚焦于质量、位置和加速度这三个核心要素。这种巧妙的简化并非简单的取舍而是人类在概念认知领域迈出的关键一步——它赋予了我们一种全新的视角让我们能够用一套统一的理论框架来诠释所有运动现象将发生在地球表面的日常运动和可观测宇宙另一端的宏观天体运动统统囊括在内。地球上生物演化过程中的种种特性不容忽视但若想理解生命这一普遍现象这些细节就显得无关紧要。我们需要构建一个足够抽象的框架既能用来描述我们已知的全部生命形态又能涵盖那些尚未归类的生命实例帮助我们解开生命起源之谜。这意味着该框架必须具备深层次的概念结构能够将物理化学规律与生物学现象统一起来此外由于外星生命的可能形态也需要被包含在内该抽象理论还必须具有预测性能够适用于宇宙中所有的生命形式而不仅限于地球上的生命。哪些细节至关重要哪些又可以忽略不计这是一个极具挑战性的问题。生命是什么这一问题很难回答答案可能出人意料。历史表明科学家给出的卓越解释往往与人们最初的天真预想背道而驰所以与其固守成见不如让我们主动追问生命的本质拥抱意外的发现。在本书的后续章节中我将系统介绍利用物理学理论来阐释生命及其起源的前沿思路该方法旨在捕捉生命的普遍抽象特性并通过实验来验证理论构想。在研究中我们秉持着曾引发物理学范式革命的创新精神期待着获得突破性发现。撰写本书的初衷正是为了以颠覆性的方式揭示生命起源的奥秘设想人类与外星生命的首次接触毕竟先有想象才有可能。构建生命物体理论火星表面有没有可能出现两把螺丝刀我已经点明要想了解这门阐释生命的新物理学我们需要从理解存在及存在的缘由开始即探究物理实体存在背后的选择机制。存在本身极为特别在我们想象范畴内的大多数事物根本没有存在的可能当然还有些事物直接超出了我们的想象。我们不妨从想象范畴内的事物着手至少它们存在出现的可能性。例如我们可以设想出一系列基本粒子它们逐步组成了原子、分子、细胞、自行车、人类、植物构成了在地球40亿年的演化史中出现过的事物也可以构成未曾出现却可能存在之物。我们生活的世界只是浩瀚空间的冰山一角。量子力学、广义相对论和统计物理学是现代理论物理学的三大支柱量子力学主要研究物质的属性及基本组成单元的行为广义相对论借助时空的几何结构来描述引力作用统计物理学关注的则是由大量微观成分构成的宏观系统的集体行为。广义相对论和狭义相对论共同揭示了引力与运动的本质其核心概念在于坐标空间与坐标时间——坐标空间是物理学中用来描述物理空间的一个专业术语包含左右、前后、上下三个维度我们日常使用的直尺测量的就是这种坐标空间坐标时间描述的是由时钟测量的物理量相比于我们的主观感知时钟可以更加规律可靠地记录时间的流逝。统计物理学和热力学则共同阐释了能量、功、测量不确定性即熵等概念的特性。目前我们尚未构建出一套物理理论来描述基础物质全部组合的可能性例如元素周期表中的原子可能形成的全部分子组合。在其他宇宙中可能存在着完全不同的元素周期表甚至完全不存在类似的规律我们所知的化学反应可能完全基于本宇宙中的原子特性。再比如晶体管技术若在晶体管面世之前出现了另一项技术或者出现了某项替代技术那么现有的技术体系将完全不同。通过组合方式构建的物体空间极其庞大无论何时宇宙都无法制造出其中的所有物体甚至无法制造出其中的一小部分大多数存在出现可能性的物体永远都不会问世。由多个部件组成的复杂物体更是如此构成物体的部件越多组合的可能性空间就越大。那些有幸成为物理实体的事物其存在往往依赖于已存在的事物以及一系列复杂条件因此这些事物的存在难以用现有的物理理论加以解释。我想要论证的观点是为了能够更好地理解这些事物的存在我们需要将组合的可能性空间定义为一个真实存在的物理空间就像人类所处的三维空间那样。深入探究这个空间的物理特性或许正是解开生命之谜的关键所在。在广袤无垠的宇宙中螺丝刀可以算是我们熟知的、实实在在的物理实体之一我们对它的存在确信无疑毕竟它确实躺在我们的工具箱里实实在在地存在着。如前文所述我们已经提出疑问“一把螺丝刀出现在火星的红色荒漠上究竟是一个小概率离奇事件还是一件在物理世界中根本不可能发生的事情呢”那么火星表面有没有可能出现两把螺丝刀呢我在第2章提及的那次由卡内基科学研究所举办的会议或许为生命起源研究的范式革新播下了种子它为包括我在内的部分学者提供了审视生命、宇宙和万物本质的全新视角通过搭建起物理学与生物学之间的桥梁帮助我们突破了原有的认知。正如大多数科学统一理论的发展轨迹这一新范式展现出了迥异于既有理论的独特面貌。在那次会议上一位学者大胆断言在物理层面一把螺丝刀不可能无须任何演化、仅凭随机波动产生。更令人感到意外的是他声称这一结论不仅可以通过逻辑推理得出还能经由实验验证。这一惊人论断出自博学多才的格拉斯哥大学化学教授李·克罗宁之口。克罗宁既是我的好友也是我的合作伙伴他向来直言不讳总爱向未知的领域发起挑战。克罗宁常被归为理论家但他构建理论的方法极为独特坚持认为理论必须能够通过实验验证。在多数人依赖抽象思维构建理论时克罗宁坚持使用现实世界中的物理对象来推演理论。虽然螺丝刀确实很难自发形成但他在会议上所言并非要强调这件事不可能发生而是要表明他能通过分子实验验证这一理论。克罗宁会在家中的工作间里召开视频会议镜头里常常出现正在运行的实验设备。疫情防控期间我们每周五都会与圣塔菲研究所的研究人员克里斯·肯佩斯Chris Kempes和迈克尔·拉赫曼通话克罗宁会在此时展示自己正在开展的家庭实验。他为自己的家庭工作间配备了三维打印机、机器人、电子仪器以及各种我甚至说不上名字的装置并且还在不断添置新工具用以完成正式实验前的问题排查工作。他研制了家庭版选择装置让滚珠轴承模型在三维打印竞技场中完成竞争筛选验证演化与选择的普适性猜想。他还尝试研制量子计算机只是由于量子测量仪器造价高达10万美元他无法证实是否已实现光子纠缠态。后来他与格拉斯哥大学物理系教授合作利用偏振纠缠光子源进行了非偏振光光学活性测量实验。工作时克罗宁会在背景墙上投影播放《降临》Arrival《超时空接触》Contact等与外星生命探测相关的电影有时他甚至会在墙面上同时播放两部电影。若换作我在这种环境中实在难以专心工作哪怕只播放一部电影也会让我分神在思考生命起源问题时克罗宁提出一个假说某些分子与螺丝刀、手机、卫星和汽车一样复杂难以自发形成。他意识到宇宙并不能生成所有物质的理论首先体现在化学领域。某些分子结构过于复杂必须通过演化才能形成它们的存在本身就是这类演化过程的确凿证据它们包含的组成部分实在太多根本无法自发形成。若依照克罗宁提出的这一化学领域猜想来构建理论我们或许能从“生命的功能”而非“生命的本质”出发搭建生命理论的数学框架。我们已经在第2章讨论过如果聚焦于生命或意识的功能而非本质我们也许能够找到破解难题的新思路。这个思路非常简单宇宙中只有生命才能创造出由众多独特且递归构建的部件组成的实体。在实验室里验证生命起源理论绝非易事许多科学家认为理解生命的本质已属艰难更遑论构建可验证的生命背后的物理学理论。有人觉得我们的尝试太过疯狂认为这些理论晦涩难懂还有人觉得这些理论太过浅显。我明白在一些人看来我们的理念或许有些奇怪因为它们处于一个完全陌生的创造空间。我们尚未解开生命起源之谜也未与外星生命建立联系因此或许我们需要的正是那些颠覆常规、看似“异类”的突破性理念。攻读博士期间我选择研究生命起源这一课题正是因为这片充满未知的科学领域深深吸引了我。彼时学界连应该提出何种问题都尚未明确更遑论找出解答之道。我怀着对物理学史上那些实现重大认知突破的先驱的深深敬意投身这一领域的研究。众所周知牛顿发现万有引力定律为人们带来了对宇宙运行规律的全新理解麦克斯韦建立电磁理论体系为现代电磁学奠定了理论基础爱因斯坦通过创立相对论并融合时空观彻底改变了人们对宇宙的认知量子物理学家们突破确定性和局域性认知彰显了科学的强大力量。这些重大进展以及物理学史上其他根本性变革的出现全都要归功于科学家们以全新视角审视未解之谜无一例外我期待生命起源研究也能迎来这样的重大突破。作为一名接受传统教育的理论物理学者我起初认为这些理论在自己的有生之年难以得到验证但是克罗宁决心推翻我的这一想法。从合作初期开始他就敦促我将理论思维建立在实证基础之上这种思维模式彻底改变了我对生命演化历程的认知方式。在研究组装理论assembly theory时我们并未试图去定义生命——在本书中我们已经目睹了这类尝试的失败我们的目标是搭建一个形式化框架实现生命与非生命物质的统一。那么我们如何才能揭示有关生命起源的物理法则呢从非生命到生命的跃迁又该如何解释呢组装理论的核心假设为复杂物体能够存在意味着其形成信息必然存储于其他物体中这构成了一种具象化的物理记忆系统或者说制约其形成的条件集合这些物体只能通过演化或学习形成。我们可以将此归纳为一种选择机制若在生命出现之前就存在可能性空间的选择机制那么这些约束条件将推动我们观察到生命的演化。拉赫曼和克罗宁都将此称为“生命前选择”认为需要探究关于这种选择机制的物理定律而我更倾向于称这一研究领域为“存在物理学”。为了构建一个可验证的理论体系我们采取了独特的逆向研究路径从可通过实验检测的分子特征反向推导出能证明该分子为选择与演化产物的指标。组装理论以物体为研究对象因为物体是真正可测量的实体。纵观我接受的所有物理学教育物体从未得到过明确定义我只是潜移默化地接受了一种观念真正的根本性研究对象应为那些不可分割之物即希腊人口中的“原子”和我们如今所说的“基本粒子”。我刚才讲述的这些物体定义虽有些抽象但意义重大。以这种抽象方式来描述物体能帮助我们在构建物体选择理论时精准锚定核心特征阐释为何某些物体能够存在而其他则不然。接下来我们即将深入探讨一种创新的物理学理论框架独辟蹊径地将生命体视为基本构成要素。组装理论生命就是宇宙创造记忆的过程我们之前提到了两个猜想一是宇宙中或许只有生命才能够创造出拥有大量独特部件的物体二是我们或许能够从分子的可测量属性出发去探寻选择与演化的相关证据。在此前的探讨中我曾提出物体必须具备可分解性这也就意味着它必然具有可组装性。组装指数assembly index正是我们用以量化“宇宙构建某物难易程度”的一种形式化指标在分解物体后反向推算得出的在物理层面生成该物体所需的最少步骤数即为组装指数。就某个特定对象而言其组装空间assembly space被定义为递归组合已构建要素、利用基本部件将其构建出来的路径集合。实现最短路径也就意味着组装空间捕捉到了构建观察对象所需的最小记忆容量即基于历史上可能存在的物体的最少操作次数。值得注意的是组装空间受物理定律约束组装路径中的可能步骤必须在物理层面上切实可行。你可以通过断裂分子键将一个分子分解为两部分反复进行这一操作直至得到最简构件——在分子组装理论中这些最简构件即原子和化学键。所有可能存在的分子都必须遵循化学成键规则若要在分子中寻找选择作用的证据我们就必须使用受构造器约束的操作来组装分子。此处的构造器指的是具有特定约束信息的物理系统这些约束能够将可能性空间限定为特定对象的形成条件。对化学对象而言构造器可以是地球化学环境、化学家或人工智能机器人这一概念与我在第2章讨论奇亚拉·马尔莱托和戴维·多伊奇的构造器理论时提出的观点一致。任何构建对象的主体都必须采用在物理层面上可行的操作若要构建该分子的组装空间你可以从一组简单的构建模块入手通过连接一对模块例如形成新化学键尝试重组出原始分子的架构。在每一步操作中你都可以选择任意两个分子片段进行结合只要这两个片段是之前已经制备好的即可。这种连接操作具有递归性所以在每个组装步骤中你都可以重复利用已构建部件。组装指数指的就是该分子在组装空间内最短组装路径的长度。对大多数人而言分子这一概念并不直观所以我们可以再用乐高积木来解释一遍以一种更加清晰明了的方式将这物理概念准确阐述出来。如果你正愁找不到玩积木的正当理由那么你现在就可以拿出积木来亲自尝试一番。请你想象或搭建一个简单物体比如一个包含两个蓝色部件和三个黄色部件的物体你可以任意设计它的结构这就是你的目标物体。现在请你将其拆解为独立的积木单元这些不可分割的乐高积木就是你的“原子”它们相互连接的物理结构就是自带的预设“连接键”。此时我们需要假设你可以无限量获取乐高积木因为我们是在组装理论框架下定义物体的抽象空间而非讨论实际建造过程中需要多资源乐高积木的数量。组装路径就是该物体所有可能形成方式的集合而要为该物体构建组装空间你就要先从乐高积木堆中选取两个结构。接下来请你根据目标形态将两个积木结构拼合起来确保这个子部件与你的原始设计相符然后将这个新组合放回积木堆再从积木堆中选取两个新部件可以是刚刚组装的结构。你可以持续进行这种递归操作不断重复利用已组装好的部件直至成功复原最初设计的物体。在这个过程中递归操作非常关键因为这意味着你只能使用已经构建的物体。换句话说组装空间本身就承载着过往记忆在某个物体本身存在之前你无法用它来创造新的事物。这听起来合情合理对吧可是在现有的物理学理论中仍未出现将过去以物理形式具象化并体现于当下的机制。在组装理论中我们将过去巧妙地折叠进当下使其具体体现在当前物体的组装空间中。也就是说组装理论将每个物体都视为自身历史的递归堆叠你可以将其理解为一种将历史视为物理属性的物理学理论。我们将你实际采用的步骤序列或者可能采取的步骤称为组装路径。在重复上述操作时你可以选择不同的路径而在组装理论中我们特别关注最小组装空间即步骤最少的组装路径这种最短路径以最简方式体现了制造该物体所需的因果关系总量。在确定最小组装空间后计算组装指数就非常容易了我们只需计算路径上所需的步骤数量。换句话说它就是通过仅重复利用已生成的独特形状来制造目标物体所需的最少操作次数你可以将其理解为宇宙组装该物体所需的最短历史、最小记忆容量或最短因果时间。需要再次强调的是宇宙无法在生成新部件之前创造任何新事物无须任何条件就能自发形成的“免费午餐”并不存在任何新事物的诞生都需要通过演化与选择才能逐步实现。乐高积木只能通过特定方式连接因此你能搭建出来的结构是有限的例如你很难用方形积木搭出圆形结构。玩过热门电子游戏《我的世界》Minecraft的人都会深有体会在由积木构成的宇宙中制作一个方形的太阳比制作圆形的太阳容易得多。在组装理论的物理法则中存在两个基本约束条件一、支配组装过程的物理定律决定了宇宙中可能发生之事二、作为物体构造者比如搭乐高的你在搭建过程中依据的信息是脑海中的设计蓝图构造者必须将这些信息牢记于心才能成功组装出相应的物体因此如果没有像你这样的构造者去动手搭建它乐高积木也就无法自行组合成各种各样的模型或结构。第一个约束条件让我们意识到我们不能随心所欲地拼接积木。当然如果我们拥有强力胶水或许可以突破常规但这将违反上述乐高宇宙的基本规则。乐高积木的组合限制类似于现实宇宙中的化学键规则都遵循着统一的法则。在现实世界中原子间的键合方式构成了化学反应的基本规律并非所有原子组合都能形成稳定分子这限定了物质结构的可能性边界。同理乐高积木世界的组装者必须遵循“块间相容性法则”只能将带有相同凸点和凹槽的部件组合在一起。这种设计既保持了系统的开放性又避免了无限组合带来的混乱。正如化学键选择性地维持分子多样性的同时也为物质世界提供了稳定的结构基础。在乐高积木世界里你的想象力固然重要但并非毫无边界。实际上你的创意受限于记忆中已有的乐高积木元素这些元素是你创新组合的基础。你所构建的每个模型其实早已存在于一个预设的可能性集合中这个集合的大小既受你的记忆影响也取决于你的时间和可用的资源。简言之你的创造力只能在这个受约束的空间里发挥。在组装复杂对象时其组合复杂度越高所需的搭建步骤就越多搭建路径数量也呈指数级攀升。即使我们只用少量积木来演示如果搭建目标是乐高版本的霍格沃茨城堡那么搭建路径的多样性也会十分惊人在这种情况下哪怕采用最短搭建路径耗时也会非常长。不过我本人尚未计算过乐高霍格沃茨城堡的组装指数。此外搭建能否成功最终还取决于我们对“乐高霍格沃茨城堡”这个概念的理解是否一致即我们是否对目标对象有共同的认知基础。宇宙在创造某个对象时未必会选择最短路径而且随着对象组装指数的增大潜在的构建路径数量也会呈指数级增多。若仅从概率论角度来看任何复杂对象的出现都极有可能是通过无数迂回曲折的路径达成不太可能恰好沿着理论上的最短路径实现。此外在谈及化学领域时我们需要澄清一点组装步骤并不等同于反应步骤。在分子组装的可能性空间中存在大量永远无法作为独立实体存在的分子碎片这些碎片不可能单独呈现在具体的反应序列中但它们对理解分子构型所需的因果关系至关重要这些分子碎片作为潜在构建方式的记忆元素存在其意义超越了具体的合成路径。或许有人会觉得这种包含不可单独测量属性的对象的理论模型略显奇怪然而当这类理论能够产出可验证的实验结果并具备强大的解释力时它就可以成为科学研究的惯常方法。人类通过构建此类抽象概念体系解释自然现象的能力正是我们理解不可直接测量的物理实体的最重要工具。一个典型例子当数粒子物理学中的夸克模型。作为构成原子核中质子与中子的基础单元夸克在标准模型中占据核心地位但根据量子色动力学的夸克禁闭原理它们永远无法以孤立形式存在。与此类似分子组装中的许多碎片也无法脱离目标分子独立存在但这些碎片对决定分子构型的选择性和因果关系至关重要。三磷酸腺苷ATP分子的组装指数为21它是细胞内关键的能量载体可通过多种不同的代谢途径合成其中研究较为透彻的合成途径包括糖酵解和三羧酸循环不过这些反应路径与组装理论中讨论的路径并不完全一致。我们可以将化学反应看作一种粗粒度简化处理或系统化分组这取决于引发反应的具体约束条件比如作用于构造器的条件。这些约束条件在宇宙的各个区域有所不同。例如在地球化学环境中这不适用于ATP但适用于其他更简单的分子这些约束可能来自岩石表面在化学实验室中约束可能来自圆底烧瓶。这两种情况都与细胞内酶系统协调作用下介导化学反应的环境不同。由于合成ATP所需的底物和反应取决于具体环境所以反应序列并非ATP自身的固有特征。尽管ATP可以通过几个步骤简单的反应序列合成但在这些情况下起始原料始终是其他组装指数较高的分子。这类分子本身就代表了大量受约束的可能性而这些可能性已在被选定的对象中得到体现。我们假设组装空间具有某种固有属性无论合成分子的是地球微生物还是外星智慧生命这一属性都能揭示出该分子的本征特性。因此组装指数作为一种度量指标具有普适性无论是你在地球海洋底部发现的ATP还是在土卫二的地下海洋中检测到的ATP其组装指数都应当保持一致。在初次尝试组装物体时我们很可能并未遵循最短路径原则。当然如果最初搭建的乐高模型非常简单那我们或许可以做到。在组装理论中研究重点始终是最短路径而非宇宙实际采用的路径也不是众多可能路径的平均值这背后有几个重要原因。最短路径可被视为物体的内在属性。假设随机挑选两位读者构建相同物体那么他们很可能会采用不同路径。具体组装路径取决于构建环境包括构造者你与被构造物。这一观点至关重要因为在用生物学相关方式定义“信息”时我们面临的一大难题就是生物信息的环境依赖性。例如某些DNA序列如基因在细胞环境中具有功能意义而其他序列则无此功能此外具有生物学意义的序列一旦脱离细胞环境就会失去功能。仅凭观察A、G、C、T碱基序列你无法区分具有功能的DNA链与无功能的DNA链这正是定义生物学相关信息概念时的一大挑战。为此组装理论采用了不同的方法我们通过关注物体本身的特征来消除环境依赖性无论观察场景如何变化这些特征始终如一。在这个意义上我们并不关心DNA的具体功能或意义只关注DNA必须依赖已存在的构建系统例如细胞或实验室才能形成。换言之我们关注的是DNA本身就是演化产物的本质属性。DNA作为功能或意义的载体证据其存在本身就依赖于这种演化过程。我们无法仅通过观察孤立的DNA分子来判断其意义但我们可以测量生成DNA所需的最短路径这个测量结果独立于其构建系统或发现环境。这就是我们考量最短路径的核心原因我们秉持着不可知论的原则不依赖我们对现有生命化学的认知。在实验室中我们能够使用多种仪器开展测量工作该方法适用于任何类型的分子。当然做到这一点的前提是分子必须存在多个拷贝这正是组装理论中物体的一个关键特征。其实理解组装理论只需把握4个重要的值——0、1、2和许多。如果一个物体从未出现拷贝数为0那它就不存在。现有物理学体系允许复杂物体通过随机概率形成但这些物体无法持续存在无法被复制更无法大量出现所以虽说新事物有产生的可能性但这类新事物无法被选择留存。在组装理论中只有当承载着制造该物体知识的其他物体谱系已被选择存在该物体才能出现。这个谱系可以首次制造出该物体即新颖性并且由于谱系本身已被选择持续存在它也能再次制造该物体即选择性。这和认为物体可能自发波动产生的观点截然不同它将物体与其谱系视为同一事物就能让物体及其历史被共同选择从而使该物体在被发现后能够持续存在并复现。因此某个物体至少以两个副本的形式存在就意味着宇宙中必然存在某种可靠的机制能够制造该物体而某物体拥有众多副本则更强有力地证明必然存在某种被选择的可靠物质机制这种机制承载着如何制造该物体的相关记忆。由此可知一个复杂物体要想拥有多个副本就必须存在大量能够制造它的其他物体的副本以及制造这些物体的母体的副本依此类推最终构建起一条能够促使该物体诞生的制造链条。我们可以将这种现象想象为一种层层叠加的物体制造系统体系中的每一层物体都必须先经过筛选才能继续搭建下一层结构。实际上这正是我们借助组装理论理解地球生命演化历程的方式从底层到顶层所有物体都在持续不断地制造新的物体正如克罗宁常说的那样“生命就是宇宙创造记忆的过程”。以爱迪生发明电灯为例在成功研制出功能性灯泡之前他尝试过上百种不同的设计方案通过不断调整并筛选每个方案中的有效元素来推进实验。在最终方案被证明行之有效后人们便开始利用既有物理系统人类与技术的能源和资源进行大规模复制工厂里生产的所有灯泡均以这一成功方案为蓝本。如今全球数以亿计的灯泡存量正是“制造步骤信息即记忆被选择留存”的有力证据。需要强调的是这些不必是精确的复制品。以灯泡为例它可以衍生出多种变体如LED灯、泛光灯和微波灯泡。其中的关键点在于大量高度相似的复制品可以证明存在一个可靠且经过筛选的生成该设计及其变体的过程。若没有演化选择地球上本不会出现灯泡但这并不意味着爱迪生解决的问题只有灯泡这一种解决方案。事实上生物学和技术领域存在的诸多案例表明不同的选择事件序列会产生不同的功能性解决方案来应对类似的演化问题。例如海森堡和薛定谔的量子力学理论就是同步发展而成后来才被发现是功能等效的理论又比如有袋类动物的演化路径它们通过演化形成外部育儿袋而非通过内部胎盘来孕育幼崽虽然两者在结构上有所不同但都成功解决了幼崽在发育初期需要延长被照料时间的问题。这些案例揭示了演化过程固有的路径依赖性。在构建出的特定对象的谱系中那些具有历史偶然性的特征确实会产生重要影响犹如在演化之旅中多条岔路通向不同的解决方案而每一条路径都承载着独特的演化记忆与选择痕迹。组装而非随机演化是构建宇宙复杂性的必要条件我们已经讨论过当代物理定律通常以初始状态与运动定律的形式呈现从本体论角度来看这两者独立存在超脱于所描述的宇宙之外扮演着描绘事物变化的边界条件这一角色。事实上正是当代理论物理学的这一特性为模拟假说、智能设计论等哲学诠释留下了空间。这两种理论以非传统的方式对我们所处现实的创造过程做出了假设——或是经由程序员编码或是借助神明创造。若我们所处的世界是一个模拟世界那就必然存在一位程序员他身处我们的宇宙之外能够生成我们这个宇宙的代码或程序。这种解释与智能设计论高度吻合后者仅需将“程序员”替换为“设计者”就能形成类似的现实解释——宇宙背后存在一个设计者可能是上帝这位设计者设定了宇宙诞生的初始条件。令人颇感意外的是当程序员或者设计者不加干预的时候这种解释与现代物理学对宇宙的认知并无本质区别。在我们当下的认知框架中宇宙中必然存在着独立于其本身的定律也就是说这些定律并非宇宙内部衍生出来的属性这些定律与受其约束的初始条件共同造就了我们所处的这个宇宙。定律以及初始条件构成了宇宙的边界条件据此可以解释大爆炸之后发生的所有现象不过它们自身的起源仍是一个未解之谜。在组装理论的框架下我们需要严肃看待这样一个观点物理定律不应包含复杂分子的具体设计。若果真如此那么宇宙将沦为一个毫无创造力的预制世界然而存在高拷贝数的复杂对象意味着必然存在具备分步特异性信息的物理系统。智能设计论的拥趸们倾向于将这种设计归因于宇宙之外的某种力量而当代物理学则将这种解释推给了可观测宇宙的边界条件。组装理论的意义在于揭示宇宙如何实现自我设计与构建而生命现象正是这一物理法则的绝佳例证。我们通过逆向推演现有事物量化达到当前状态所需的构建选择过程从而理解人类在浩瀚无垠的可能性空间中所处的局部位置。在组装理论中初始状态基本构建单元蕴含的信息相对较少物理法则结合操作同样如此随着时间的推移物体所承载的信息几乎都体现在其世系轨迹之中。保罗·戴维斯热衷于构思一个妙趣横生的思想实验旨在探讨如何甄别设计痕迹这里指的可不是智能设计者的创作而是演化历程中的设计或者智能工程师、科学家所缔造的作品。整个实验的关键就在于我们究竟该如何精准辨认出被设计的物体。戴维斯常以一个充满趣味性的例子来形象地阐释其中的奥秘你可以想象自己漫步于城市的街头巷尾这时一辆汽车恰巧从旁驶过车牌上赫然印着你的生日。初见此景你或许并未在意觉得这只是个微不足道的巧合然而紧接着你又发现路牌上竟然醒目地写着你母亲的名字。还没等你从惊讶中回过神来一辆出租车缓缓驶入眼帘车侧的联系电话竟与你的社会保障卡号码惊人地相似唯一不同的就是缺少了末尾的数字而缺失的那个数字正是这辆出租车的独有编号。随着这一连串看似巧合的事件不断叠加、持续累积我们不禁陷入深思究竟当这类匪夷所思的 “巧合”堆积到何种程度时我们才开始怀疑事有蹊跷这究竟是纯粹的随机事件偶然拼凑出的序列还是某种精心设计的结果呢在探寻宇宙潜在外星智慧的征程中精准区分设计其来源可能为智能主体或演化历程与纯粹的随机性至关重要。我们认知中的一些高度复杂的模式尽管实际上蕴含着精心设计表面上却呈现出近乎随机的特征例如在密码学领域将信息伪装成看似随机的噪声正是确保数据安全传输的重要策略之一。那么我们究竟该如何分辨外星智能所创造的产物与自然随机现象呢问题在于基于当下对“复杂性”的衡量标准随机性有时也能展现出相当复杂的样貌然而这并非我们真正追寻的目标。在组装理论中我们引入拷贝数这一关键指标旨在精准区分由设计演化催生的复杂性与纯粹的随机性。演化并非凭空而起而是立足于宇宙过往的积累成果经由演化孕育出的物体无论其复杂程度如何都会重复沿用先前已发现的部件。高拷贝数不仅彰显了演化物体的显著特征还体现了其组成部分的重要特征。以人体为例人体是由数百万个高度相似的细胞构成并非由全然不同的个体拼凑而成。时下大型语言模型正逐步扩展其应用场景广泛融入其他技术领域无论是在生物学领域还是在技术领域我们都能依稀察觉到部件的重复利用已然成为构建更为复杂物体的必备要素这绝非偶然。根据组装理论我们有理由推测这或许是宇宙在探索复杂物体空间时的唯一可行途径复杂物体的诞生离不开部件的选择与重复利用因为可能性空间浩瀚无垠仅凭其他方式根本无法完成这些物体的构建。将具有部件重复利用特性的演化物体与那些拥有随机不可预测属性的物体进行对比我们会发现一种看似自相矛盾的现象由于部件重复利用的特性演化系统的复杂程度竟反而不及随机系统。当像我们这样的智能物种发明出计算等抽象概念后这些工具便得以将随机性形式化并且能够通过计算机或大脑精准识别出构建随机性的途径。这表明那些通过随机方式构建的复杂物体也就是在不重复使用任何部件的前提下高度组装而成的物体可能并非仅仅是演化的产物更是某种无须重复利用部件即可构建物体的智能水平的结晶。这类必须借助算法生成的物体或许会成为我们搜寻技术特征信号即宇宙中技术存在迹象时的最佳候选目标。组装理论为我们提供了一种独特的视角在回溯包含所有可能存在事物的集合时我们可以发现一个有趣的现象所有可能物体的抽象组合空间可以通过两个关键的可测量属性来构建一个物理空间这两个属性便是组装指数与拷贝数。我们之所以将其界定为物理空间是因为这些坐标在描述物体在组装空间中的位置时起着至关重要的作用它们类似于我们在时空中确定物体位置时所依赖的时钟时间坐标和三维空间坐标即x、y、z轴所定义的位置。我们可以这样理解组装指数它就像可能性空间中的一个深度指示值组装指数越大该层次上存在的可能性就越丰富宇宙能够以类似组装方式制造出的物体所占的比例就越小这也表明任何高组装度物体的形成都需要经历更为严格的选择过程。拷贝数则反映了每个物体在物理实现过程中建造或设计环节的稳定性它是组装观察对象所需的大量基础构件的证明。组装指数与拷贝数共同构成了一个可能性坐标系为我们揭示了复杂物体所蕴含的选择压力强度的大小。组装理论的一项重要推论指出我们永远不应期待高组装指数的物体会自发形成然而这一结论与标准物理学的许多基本假设相悖。许多物理学家认为理论上任何可能存在的物体都有微小但非零的概率通过随机量子或热力学事件自发形成。尽管复杂物体自发形成的概率极低但理论认为其概率始终不为零这意味着在浩瀚的可能性空间中宇宙可以随时随地随机生成任何事物。物理学家认为这种理论反驳了智能设计论但事实上认为无须任何构建记忆就能在宇宙的任何时空点自发形成物体的观点反而成为智能设计论最有力的佐证因为它意味着每个时空点都蕴含着所有物体的设计蓝图。这正是著名的玻尔兹曼大脑论证背后的核心逻辑。玻尔兹曼大脑是一种功能完整的大脑携带着虚构人生的全部记忆由物质的随机波动自发形成。在现代物理学框架下即使采用保守的宇宙学参数估算这类完整大脑瞬间生成又立即消失的概率也微乎其微但无论这个可能性多么渺小玻尔兹曼大脑的存在本身就给当代物理学理论带来了严峻挑战。宇宙如此广袤而古老更重要的是它仍在持续膨胀和演化在这种近乎无限的机遇空间中有研究者提出相较于生命起源事件后历经漫长演化诞生的观测者比如你我宇宙中可能更普遍地存在着玻尔兹曼大脑式的观测者这类观测者会在转瞬间闪现又消失伴随着虚幻现实的完整体验。事实上既然玻尔兹曼大脑比演化形成的大脑更有可能存在那么此刻正在阅读这段文字的你甚至可能就是其中之一其中的悖论在于你永远无法察觉这种差异当意识到自己可能是这种大脑时你可能在读完上句话后就已经消失但此刻你仍在阅读这意味着或许你恰恰是刚刚波动形成的存在携带了“已阅读前文”的虚假记忆。在组装理论中玻尔兹曼大脑并非常规认知中小概率出现于宇宙中的事件实际上其存在的可能性趋近于零。更准确地说若未先运行完整的事件因果链来筛选产生它们所需的信息这类大脑的自发形成在逻辑上根本行不通。简而言之大脑无法脱离其演化过程存在它们不能独立于躯体之外。目前这些躯体是生物性的我并不排除未来出现技术性躯体的可能性但关键在于这些躯体同样是演化与选择过程的产物。基于组装理论我们预测具有高组装结构的物体无法通过自发波动形成物质存在。在这个组装构成的宇宙中你永远不会孤立无援每个演化而来的物体必然伴随着众多与之相关的其他物体。▷本文引自《生命未被理解的真相》[美] 萨拉·沃克著湛庐文化/浙江科学技术出版社点击上图或阅读原文购买。阅读最新前沿科技趋势报告请访问21世纪关键技术研究院的“未来知识库”未来知识库是“21世纪关键技术研究院”建立的在线知识库平台收藏的资料范围包括人工智能、脑科学、互联网、超级智能数智大脑、能源、军事、经济、人类风险等等领域的前沿进展与未来趋势。目前拥有超过8000篇重要资料。每周更新不少于100篇世界范围最新研究资料。欢迎扫描二维码或访问https://wx.zsxq.com/group/454854145828进入。截止到2月28日 ”未来知识库”精选的百部前沿科技趋势报告加入未来知识库全部资料免费阅读和下载牛津未来研究院 《将人工智能安全视为全球公共产品的影响、挑战与研究重点》麦肯锡超级智能机构赋能人们释放人工智能的全部潜力AAAI 2025 关于人工智能研究未来研究报告斯坦福2025 斯坦福新兴技术评论十项关键技术及其政策影响分析报告191 页壳牌2025 能源安全远景报告能源与人工智能57 页盖洛普 牛津幸福研究中心2025 年世界幸福报告260 页Schwab 2025 未来共生以集体社会创新破解重大社会挑战研究报告36 页IMD2024 年全球数字竞争力排名报告跨越数字鸿沟人才培养与数字法治是关键214 页DS 系列专题DeepSeek 技术溯源及前沿探索50 页 ppt联合国人居署2024 全球城市负责任人工智能评估报告利用 AI 构建以人为本的智慧城市86 页TechUK2025 全球复杂多变背景下的英国科技产业战略韧性与增长路径研究报告52 页NAVEX Global2024 年十大风险与合规趋势报告42 页《具身物理交互在机器人 - 机器人及机器人 - 人协作中的应用》122 页2025 - 2035 年人形机器人发展趋势报告 53 页Evaluate Pharma2024 年全球生物制药行业展望报告增长驱动力分析29 页【AAAI2025 教程】基础模型与具身智能体的交汇350 页 pptTracxn2025 全球飞行汽车行业市场研究报告45 页谷歌2024 人工智能短跑选手AI Sprinters捕捉新兴市场 AI 经济机遇报告39 页【斯坦福博士论文】构建类人化具身智能体从人类行为中学习《基于传感器的机器学习车辆分类》最新 170 页美国安全与新兴技术中心2025 CSET 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