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用物理學解釋生命的起源

2024-03-16文化

你能用熱力學和統計力學的原理來解釋地球上生命的起源嗎?即使是物理專業的學生在更具挑戰性的作業中也看不到這個問題。但物理學家出身的經濟學家利亞姆·格雷厄姆(Liam Graham)在他的處女作 【分子風暴:恒星、細胞和生命起源的物理學】(Molecular Storms: the Physics of Stars, Cells and the Origin of Life )中試圖回答這個問題 .

在整 本【分子風暴】中 ,格雷厄姆使用一種輕松、非正式的語氣,並有節制地註入幽默感,讓讀者走上從熱力學定律到生物多樣性起源的直接道路。他首先描繪了一幅分子在「分子風暴」中運動的圖畫。開篇的幾章讓讀者熟悉了統計力學的主要原理(如微觀狀態和布朗運動),當然還有熱力學。

格雷厄姆清楚地解釋了封閉系統的熵(無序)註定要增加,並詳細描述了熱機、電機及其鮮為人知的表親棘輪的執行。其他轟動一時的物理學原理——如諾特定理(將守恒定律與自然界中的對稱性聯系起來)和量子疊加——也被順便介紹,更多的是以承認而不是解釋的形式。

葛培理繼續審視生命的先決條件。他所奠定的物理學基礎使他能夠探索行星的形成、酶的作用以及細胞功能所必需的生物過程如何從棘輪和熱機的熱力學概念來理解。

本節由一個簡短而清晰的繞道來支持,即分子風暴如何驅使分子混合物達到化學平衡。對於讀者來說,有必要轉向化學,以便在接下來的幾章中對化合物的反應進行冗長的討論,這些化合物在細胞的新陳代謝中起著核心作用。本書最後詳細討論了熱力學,熱力學是有機分子產生的關鍵,以及新形成的地球環境,如熱液噴口和池塘。

作為一個具有純物理學背景的人,我很想參考其他來源,以充分理解更重生物學的章節。盡管如此,還是有足夠的細節讓讀者舒適地遵循本書論點的大方向。但是,鑒於幾乎不可能詳細解釋這樣一個復雜主題的每個相關過程,同時仍然娛樂和吸引讀者的註意力,格雷厄姆包括許多經過充分研究的建議,供進一步閱讀和相關研究論文的連結。

哪個「難題」?

格雷厄姆的職業生涯以跨越物理學、哲學和經濟學等各個學科的旅程為特征,反映在他的書的結構中。這種不同領域的融合可能就是 【分子風暴 】如此引人入勝的讀物的原因。在整個敘事中,統計力學的強烈底色無疑要歸功於他在劍橋大學獲得的第一個理論物理學學位。

但格雷厄姆也利用他的哲學背景來解決生命起源的謎題,反復提到「波茲曼大腦」的概念——即物質的隨機波動可以產生意識的想法。同樣,他明確地將「意識的難題」——質疑物質如何產生意識和主觀體驗——貶低說,「生命的起源是一個復雜的問題(我懷疑它會比所謂的意識'難題'更難)。

【分子風暴 】可能會在兩個層面上吸引讀者。首先,對於對物理學有普遍興趣的讀者來說,它可以看作是一本引人入勝的指南,可以研究物理學家對生命出現的看法。這位休閑讀者可以享受旅程,而無需求助於附錄中概述的數學計算。#熱點引擎計劃#

或者,對這一領域感興趣的本科生將受益於計算和遵循解釋。這本書也是科學研究跨學科性質的一個很好的例子,這一點在本科課程中往往沒有得到充分的重視。但是,我建議學生讀者手頭有其他文本,除非他們已經對上述原則有很好的概念掌握。

事實上,普通讀者和學生都會從參考線上資源中獲益,因為書中的圖表有時只是代表線上內容。

但是,由於大多數 【物理世界】 的讀者都可能屬於這些類別之一,因此我強烈建議您將 【分子風暴 】添加到您的閱讀清單中。