Monday, November 22, 2010

王令隽:人能否死而复生——兼谈热寂说

·王令隽·

人不能死而复生,这应该是常理和格言,似乎不成为问题。可是时下有种风气,好像常识常理意味着浅显鄙薄,反常背理才显得深奥前卫。人能否死而复活,似乎还是一个学术问题。

医学工作者可以举出许多神医妙手回春的例子,来说明高超的医术可以将死人救活。我小时候,邻村有一个小孩叫龙仔得病死了,全家人哭声干云,找了几块木板钉付小棺材准备下葬,正好我父亲路过。他拿了拿脉,立即开了一个药方,叫龙仔的父母别忙着钉棺材,赶紧到风门桥药店去点药。一剂药灌下去,居然把龙仔救活了。他父母千恩万谢,一定要把小女给我做童养媳,我父母居然答应了。可是拗不过我不同意,原因是同学们会说我有媳妇了——好色的证据。逼死阮玲玉的“人言可畏”,我是在上小学时就领略了。一桩本来可以成为佳话的姻缘,硬是生生地被可畏的人言拆散了。

我读初中时,大姐得了一场重病,十来天不省人事。我爸爸天天给她灌中药。大姐从小被舅舅许配给同村的一个后生做媳妇,还没过门。她婆婆于是动员我妈和我姨妈加上半打德高望重的老太婆组成一支浩浩荡荡的叫魂队伍,白天到村外几里路四面八方叫魂,晚上爬上我家房顶上叫,说是娘叫千里,爹叫八百。经过十来天的折腾,大姐终于活过来了。到底是我爸救活的,还是她婆婆与阎王老子斡旋折冲讨回了魂魄,直到现在仍然是个谜。

现代医术越来越高明,起死回生的例子不胜枚举,好像用事实证明着人死可以复生。

但是医生能够救活的人的生命应该没有完全停止,而是处于某种休克状态。借用日本话的围棋术语,叫做没有“完死”。一个人到底是不是死了,好像还有一个生物学的定义问题。

我对生物学是外行,对死亡的医学定义也没有太大兴趣。我想在此探讨的是一个自然哲学问题。为了避免跑题,我要举出一些医生们没有争议的死亡例子,比如几千年前埋在埃及金字塔里的妖后克里奥帕特拉,或者长沙马王堆一号汉墓里的贵妃妇好。她们能复活吗?大概没有一个神医会说她们能够复活。可是有物理学家说,能!

1979年,中国科学院聘请了一位国际知名的诺贝尔奖得主为研究生院的学生们讲授基本粒子理论和统计物理。我当时正在研究生院念书,有幸躬逢其盛。统计学开宗明义,便是由分子的运动概率推出热力系综的配分函数。统计学比较枯燥,也许为了提神,这位教授一开始便对学生们提出一个问题:两千年前埋葬在长沙马王堆的老太婆会不会死而复活?满座寂然,无人敢应。人死不能复活,是一个不可逆过程,难道这还有什么疑问吗?有!这位教授说,马王堆的死老太婆复活的可能性是存在的!我立即把儿子满月的照片塞进钱包,正襟危坐而听之。

教授的推理极为简单。设想在一个密封的真空容器中放一个气体分子,它出现在容器左右两边的几率应该是一样的,都是二分之一。如果放入两个分子,则它们同时出现在左半边的几率便是四分之一。如此类推,如果放入N个分子,则它们同时出现在左半边的几率就是二分之一的N次方。如果N是一个宏观数字,这种几率当然很小,但不为零。即是说,可能性是存在的。

如果我们把容器分成密封的两半,在左半边充满气体,将右半边抽成真空。然后将隔板打开,则一部分左半边的气体就会跑到右边,直至两边的分子数相等,达到平衡为止。这些跑到右边的分子会不会思恋故土,某一天全部重新回到亲爱的左边呢?从来没有人观察到这种事情发生,我们也不相信这种事情会发生。因为这种过程是热力学上的不可逆过程。不可逆过程是热力学第二定律的基础。可是按照这位教授上面的推理,这种不可逆过程并不是完全不可逆的,只是逆转的几率很小而已——几率等于二分之一的N次方。

于是,他将这一推理继续推将下去:生命过程也被认为是不可逆过程,但按照统计物理学的理论,这种不可逆过程逆转的可能性也不是绝对不存在的,只不过几率很小而已。所以,马王堆死老太婆复活的可能性是存在的。

我立即陷入沉思。我对人死不能复生的信念之坚定不下于对统计物理定律的信念。以统计学原理推导出人死可以复生,哪怕是二分之一的负二十四次方的小概率,对我来说也是一个不可接受的悖论。在没有解决这个理论或逻辑疙瘩之前,我没有办法集中注意力听讲。教授下面讲了什么我已经没有心思去听,也不太在乎。应该是一些数学。数学可以自己看,理论和逻辑问题却不可轻易放过。这是我念书的一个习惯。

问题到底出在哪里呢?

一.独立实验假定

第一个问题出在统计物理的独立实验假定,即是说,一个粒子在容器两边出现的几率和其它粒子的存在无关。在容器中的粒子数不多并且大致均匀分布的情况下,这一假定应该没有问题;但是如果容器中的粒子很多,并且分布很不均匀,这种假定就有问题。比如说,如果容器中的左半边已经有N个粒子而右半边一个粒子都没有,然后再放进第N+1个粒子,它出现在左右两边的几率就没有理由相等。出现在真空的半边的几率应该大些。左边的粒子数量越大,出现在左边的几率就越小。

设想在一个密封容器中放半缸水,容器的上半部充满水蒸气。这时候如果再放入一个水分子,他在上下两个半部的几率是不是相等呢?当然不相等。如果这个新分子放在水蒸气中,它可能碰到水面而黏附在水的表面,然后通过布朗运动可以到达水中央。如果这个新分子放在水里面,它可通过布朗运动到达水面,然后被蒸发到上面的水蒸气中。这新分子在水里面和蒸汽里面出现的几率是一个取决于诸如水的粘滞系数,表面张力,温度,压力等等等等的非常复杂的函数。没有任何理由相信一个分子呆在水中和水外面的几率会相等。

如果容器的下半部放一块固体,则新分子在下半部的几率是零,在上半部的几率是一。如果放一具死尸,新分子呆在尸体内外的几率将是一个非常复杂的函数。尸体中既有液体,也有固体(骨头,牙齿,指甲),而且形状不规则,有空腔。要想用统计学中对付理想气体的手段来研究尸体甚至人体的生命过程,成功的几率大概应该和死尸复活的几率差不多。

分子不能穿过固体,所以他在密封容器里的几率等于一,这是我们经过无数次宏观实验了解到的基本事实,因此把它作为计算分子概率的强制性边界条件。为什么分子不能穿过固体呢?因为固体是由结合得很紧的分子组成的。固体分子之间有很强的势场,组成了坚固的能量壁垒阻止自由分子通过。如果分子的动能小于能量壁垒的高度,分子就无法穿越。这是经典的理论。可是在量子力学里,粒子穿越能量壁垒的几率是不等于零的。对量子力学有绝对信仰的朋友可以计算一下一个水分子穿越一厘米厚的玻璃的几率,虽然小,但不为零。金鱼是由许多个分子组成的,所以一条金鱼从玻璃鱼缸里穿出来(不是从鱼缸上面跳出来)的几率也不为零。有些宣称有特异功能的大师说他能穿墙而过,大概就是因为量子力学学透了,修炼成了正果。

金鱼能够穿过玻璃,哺乳动物能够穿墙而过,不但违背基本事实,而且违背统计物理的基本边界条件:分子穿过容器壁的几率等于零。由此可见,如果不管物理事实而拘泥于某种理论的假设和结论,将其无限制地推而广之,应用到超出该理论的适用范围,会导致多么荒唐的结论。一旦将局部理论的基本假定和结论绝对化,把它置于铁的事实之上,理论也就离宗教不远了。

二.生物体不是热力学统计系综

以统计物理来证明两千年前的死老太婆可以复活,违背了或忽略了一个简单事实:人体不是一个简单的统计系综。

这点不难证明:将N个理想气体分子放入一个密封容器,这些分子立即会均匀地分布在容器的每一个犄角旮旯。但是如果把一具死尸放入棺材,她会躺在棺材底上,决不会在棺材里面飞来跑去。一个人孤孤单单地躺在棺材里两千多年而能坚持一动不动,表现了这位妇好同志高度的组织纪律性。

组织纪律性,翻译成统计物理的语言叫有序性(orderliness)。有序性的量化参数叫做熵。一个统计系综越是混乱无序,熵值越高;越是有序。熵值越低。热力学和统计物理中的一个重要定律叫做熵增长定律:热力系综的熵值只会增长,不会降低,自然过程只会从有序走向无序。从有序到无序的过程是不可逆的。熵增长定律又叫热力学第二定律。一个质子和一个电子如果是自由的,就可以各自作无序的运动,但如果结合在一起成了氢原子,就有了约束,不可以随便分开,要动也得一起动。因此原子是比自由电子和自由质子更有序的系统。同样,原子组成分子,再组成有机体,生命体,有序性就增加。相反的过程则是从有序到无序的过程。从生命到死亡,到尸体最终分解成气体分子,是一个从有序到无序的不可逆过程。以为这些分解了的分子能够通过小概率的偶然组合重新回到以前的有生命状态,就违背了这种不可逆性,违背了热力学第二定律。所以即使把一具死尸当作热力系综,热力学第二定律也不允许死尸复活。

但生命过程不是单纯的热力学过程,而涉及到其它物理,化学和生物学过程。而热力学所处理的仅仅是理想气体自由分子的动力学行为,根本不能处理更为复杂的化学和生物学过程。把用于自由分子统计系综的统计物理学方法用来分析有机体的生命过程,当然会导致荒谬的结论。

我们已知的自然力,包括万有引力,电磁力和核力(核力在量子场论中被现象逻辑性的分为强相互作用力和弱相互作用力),严格说来都不是热力学研究的对象,也不是热力学所能够处理的。在热力学中,只是当我们试图计算大气层的密度分布时,才把地球引力作为一个外部条件来处理,分子之间的万有引力则是忽略不计的。分子之间的化学键本质上是电磁相互作用。这种相互作用在热力学中也是现象逻辑性地用一个简单的化学势来代表。可是电磁作用的复杂性根本不是一个化学势所能够完全表达的,因此热力学理论仅仅在物理化学上起部分作用,不可能代替整个化学。至于核力,根本就不在热力学的讨论范围之内。用热力学和统计物理来分析生物的生老病死,更是不可能的。总而言之,生物体不是一个热力学的统计系综。

三.热寂说

作为热力学第二定律的熵增长定律最早是由鲁道夫克劳修斯于1850年提出来的。熵这个字是由英文Entropy翻译过来的,其定义是内能与温度之商。中国的科学家们为了把这一热力学概念译成中文,造了一个字,在“商”字的左边加一个“火”字旁,就成了“熵”。1877年,玻尔兹曼试图从刚刚萌芽的原子理论推导出热力学第二定律,乃把熵定义为物质状态的几率函数—状态几率越高,熵值越大。无序状态比有序状态几率高,所以熵增长定律就意味着世界总是从有序向无序发展。

根据热力学第一和第二定律,凯尔文,赫尔姆霍兹和玻尔兹曼推论说,所有系统都会最终趋于一个热力平衡状态,如果宇宙是一个有限的封闭的热力系统,最终将趋于一个热力平衡状态,一个完全均匀的,温度完全平衡的状态。在这一状态中,所有的恒星都冷却了,用以支持生命的能量用光了,全宇宙到达了一个“热寂”的状态,走完了从有序向无序的全过程,所有的物理现象都停止了,宇宙也就完全死亡了。这就是历史上的“热寂说”。

玻尔兹曼清楚地知道,他的“热寂说”与科学界普遍承认的时空无限的宇宙论相抵触。如果世界必然从有序走向无序,那最初的“有序”从何而来呢?因此,为了“热寂说”能够应用于整个宇宙,必须假定时间有某个“原点”,在这个时间原点由某个原始推动力或造物主突然创造一个有序的世界,然后撒手不管,任凭其从有序到无序发展,最后至于完全无序的“热寂”状态,而这,也就是世界的末日,时间的终点。所以,“热寂说”是和有限宇宙论密切相关的理论。

玻尔兹曼深为这种结论而苦恼,因为他不相信迷信,不能接受一种超自然力作为宇宙的起源的学说。那能否从科学理论中找到这种“原始的有序状态”存在的根据呢?除非假定在远古的某个时刻,无序的宇宙突然偶然地形成了一个非常有序的状态,也就是说,一个无序的宇宙突然自发地变成了一个高度有序的宇宙,一如从死老太婆分解出来的分子偶尔重新组合,突然变回两千年前翩若惊鸿婉若游龙荣曜秋菊华茂春松的贵妇。这种几率小得连玻尔兹曼也知道其实是完全的不可能。

玻尔兹曼的真正错误是把一个适用于某种条件下的局部理论推广至这种条件以外而至于整个宇宙;将一个封闭系统中的理论推广至时空无限的宇宙,一个大爆炸理论学家们今天还在继续的错误。热力学第二定律中所说的从有序到无序的发展规律,只适用于热力系统。超出热力系统,我们可以举出许多现在还可以看到的从无序到有序的自然过程。比如说,一个种子可以摄取周围的养料和阳光,将他们组合在一起,变成为参天大树。一个四处流浪的落难书生的精子和一个风尘少女的卵子结合,可以逐渐摄取食物养料和知识学问而成为高度有序的动物,并可能叱咤风云纵横捭阖,建立一个大帝国,一个高度有序的社会。在宇宙间,无序的星云在万有引力的作用下,会收缩成高温高压的凝聚体而变成新星或新的银河系,完成从无序到有序的过渡。这种从无序到有序的过程无时不在发生,根本不需要什么超自然力的创造和干预。无视这些过程的存在,只看到从有序到无序的过程,就如只看到物质的分解而看不到物质的化合一样片面。把只适用于热力系统的局部理论强加于全宇宙,把不包括万有引力,电磁力和核力的理论推广到包括这些动力的物理,化学和生物过程,其荒谬是不言而喻的。

热力学第二定律是物理学上的重要定律之一。凯尔文,赫尔姆霍兹和玻尔兹曼都是对物理学做出过伟大贡献的物理学家。但是他们的热寂说在物理学史上却没有产生太大的波澜,其影响不过一代人。现代的大爆炸宇宙学在一百年后又捡起某些热寂说的错误概念,当然不可避免地会重复热寂说的命运。

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