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外星生命能有多大,会有像星系一样大的生物吗?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:5

    宇宙中各种事物的大小可谓天差地别,下至10^-19米,上到10^26米,前者是夸克相互作用的尺度,后者则是我们到宇宙视界的距离。据我们所知,在这45个可能的数量级之中,生物的尺寸仅仅占据了有限的9个,这是一个相对来说极为狭小的区间,大约处于整个范围的中间:细菌和病毒的长度可以小于1微米,也就是10^-6米,而最高的树木能长到约100米。美国俄勒冈州的蓝山(Blue Mountains)地下的蜜环菌,可以视为单个的生物体,它足有4千米长。至于有感知能力的生命,它们尺寸的范围就更小了,只有大约3个数量级。

    那么,生物的尺寸能否不在这个范围内?

    计算理论的进步告诉我们,要产生感知能力和智力,可能至少需要10^15量级的原始“回路”元件。考虑到我们的大脑由神经元构成,而神经元自身从本质上来说是一个个特化的、相互合作的单细胞有机体,我们可以推断出,要想拥有相当于我们人类的智力,生物计算机至少需要具备和我们的大脑相仿的体积。

    在人工智能系统中,造出比我们的神经元更小的“神经元”是完全可以想象的,比如现在的电路元件就比神经元小得多。但是,电路元件的行为更简单,而且需要额外的装置来支持(供能、冷却、通信),这些装置都要占据较大的体积。第一个真正的人工智能占据的空间体积很可能会与我们的身体相似,虽然二者基于本质上完全不同的材料和结构,这也提示我们,“米”这个尺度非同寻常。

    外星生命能有多大,会有像星系一样大的生物吗?

    弗雷德·霍伊尔笔下的“黑云”是一种蔓延在宇宙空间中的有意识生命体

    在尺度范围的另一端呢,生物可以非常大吗?在小说《爆炸的票》(The Ticket That Exploded)中,威廉·巴勒斯(William S. Burroughs)想象在一颗行星的表面之下,“在接近绝对零度的温度下,一种基于矿物的巨大意识体,在通过晶体缓慢的形成过程来思考”。天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)用不可思议却又令人信服的笔法,描写了一种巨大的有意识的“黑云”,其大小可与日地距离相比拟。在他的想法的启发下,戴森球(Dyson sphere)的概念出现了,后者是设想中一种完全包裹恒星以俘获恒星能量的巨大装置。我和我的同事弗雷德·亚当斯(Fred Adams)正在进行的一系列计算对霍伊尔的想法是一种支持。计算表明,在当前的银河系中,最高效的信息处理结构有可能在红巨星喷射出的、夹杂着尘埃的星风中形成。数万年间,裹满尘埃的红巨星提供了足够的能量、熵梯度和原材料,使得这样的结构在计算能力上可以胜过十亿个类似地球的生物圈。

    像这样的生命形式可能长到多大呢?要产生有意义的想法,不仅需要复杂的大脑,还需要足够的时间来构思。做一个简单的数量级估算,神经信号的传导速度大约为每小时300千米,也就是说,信号穿过人脑大约需要1毫秒。这样算来,人的一生可以进行2万亿次这样的活动(假使每次活动都被丰富的庞大并行计算结构有效放大)。如果我们的大脑和神经元都被放大10倍,而寿命和信号传导速率保持不变,我们一生中能产生的想法就要比原来少10倍。

    假如大脑长得像太阳系这样大,信号以光速传导,同样2万亿次神经活动要花掉比宇宙当前年龄还要长的时间,演化更是没有时间施展身手。假如大脑和银河系一般大,问题就变得更加严重了。从银河系诞生的那一刻算起,只有大约10 000条信息能从一头传到另一头。所以,很难想象复杂度能与人脑相比拟的生命体身材达到星际尺度。即使存在,它们到目前为止还来不及做任何实质性的事情。

    外星生命能有多大,会有像星系一样大的生物吗?

    除了形成智能对尺寸有要求外,环境对身体的物理限制也使生命的大小被限定在同样的尺度上。最高的红杉也无法生长超过100米,因为它们无法把水泵到比这更高的地方。地球表面的重力(将水向下拉)和植物木质部中的蒸腾作用、水的附着力与表面张力(将水向上拉)共同作用,决定了这个极限。假设大多数宜居星球的重力和大气压与地球的差异在10倍以内,那么这些星球上的极限植物高度与地球上的最多不会相差超过两三个数量级。

    如果假定绝大多数生命形式存在于某颗行星、卫星或小行星上,那么重力也就同样对生命的大小有所限制。早在17世纪晚期,克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)就论证道,如果一个行星较大,表面重力较强,假想的动物的骨骼(或等价的结构)就要承受更大的作用力,横截面积也必须相应地增大,而横截面积随动物尺寸的平方增长。身体尺寸的不断增加最终会使动物自取灭亡,因为体重会随身体尺寸的立方增加。一般而言,自由活动的陆生生物的最大体重与重力大小大致呈线性负相关。在一颗重力为地球十分之一的星球上,动物很可能比地球上的大十倍。

    但是,行星不能无限制地小——如果太小(大约小于地球质量的十分之一),它的重力就不足以吸引并保持大气层。又一次,我们被限制在与地球上生物尺寸相差约10倍的范围之内。

    生物也需要冷却自己。电脑芯片的设计者始终面临如何去除计算产生的热量的挑战。生物也是一样:较大动物的体积与身体表面积,或者说 “皮肤”的比值也较高。因为动物通过皮肤来散热,产热又与体积呈正相关,较大的动物散热效率较低。20世纪30年代,马克思·克雷伯(Max Kleiber)首先提出,在地球上,动物每千克体重的代谢速率和体重的0.25次方成比例,随后者的增加而减小。这样算来,如果产热速率不减小,体型较大的动物会把自己“烤熟”。假定哺乳动物要想生存,全身平均代谢速率至少要达到每纳克万亿分之一瓦,那么热力学将动物最大的体重限制在100万千克左右,也就是比地球上有史以来最大动物的记录保持者——蓝鲸稍大一点。

    原则上,我们可以想象远大于此的“生物”。如果借用给出了计算理论上所需最低能耗的兰道尔原理(Landauer’s principle),并且假设一个巨大而懒惰的多细胞生物只利用能量来缓慢地复制自己的细胞,我们会发现,机械支持的问题超过热传递成为生长的最大限制因素。不过,在这样大的尺度上,这样的生物能做什么、它可能是怎样进化而来的,就不得而知了。

    查尔斯·伊姆斯和雷·伊姆斯(Charles and Ray Eames)制作的经典短片《十的次方》(Powers of Ten)已有近40年历史了,但它的影响依然深远。譬如,它与数量级估计(order-of-magnitude estimation)兴起为科学课程中的一种标准方法相关,还成为了谷歌地球(Google Earth)等地图应用软件的设计的直接灵感来源。

    片中,在向微观推进的镜头(观察者从芝加哥湖畔的野餐出发,向下探寻亚原子尺度)和向宏观推进的镜头(镜头加速后退,将地球和地球上的事物置于宇宙的浩瀚尺度之中)之间,具有惊人的对称性,这也增加了《十的次方》的震撼力。

    作为能感知外界的存在物,我们能考察宇宙大尺度和小尺度下的现象,向上、向下都能一网打尽,这只是幸运的巧合吗?很可能不是。

    撰文 Gregory Laughlin

    翻译 柯雨曦

    审校 韩晶晶

    参考文献:

    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).

    原文链接:

    https://nautil.us/issue/34/adaptation/can-a-living-creature-be-as-big-as-a-galaxy

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