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用物理学解释生命的起源

2024-03-16文化

你能用热力学和统计力学的原理来解释地球上生命的起源吗?即使是物理专业的学生在更具挑战性的作业中也看不到这个问题。但物理学家出身的经济学家利亚姆·格雷厄姆(Liam Graham)在他的处女作 【分子风暴:恒星、细胞和生命起源的物理学】(Molecular Storms: the Physics of Stars, Cells and the Origin of Life )中试图回答这个问题 .

在整 本【分子风暴】中 ,格雷厄姆使用一种轻松、非正式的语气,并有节制地注入幽默感,让读者走上从热力学定律到生物多样性起源的直接道路。他首先描绘了一幅分子在「分子风暴」中运动的图画。开篇的几章让读者熟悉了统计力学的主要原理(如微观状态和布朗运动),当然还有热力学。

格雷厄姆清楚地解释了封闭系统的熵(无序)注定要增加,并详细描述了热机、电机及其鲜为人知的表亲棘轮的运行。其他轰动一时的物理学原理——如诺特定理(将守恒定律与自然界中的对称性联系起来)和量子叠加——也被顺便介绍,更多的是以承认而不是解释的形式。

葛培理继续审视生命的先决条件。他所奠定的物理学基础使他能够探索行星的形成、酶的作用以及细胞功能所必需的生物过程如何从棘轮和热机的热力学概念来理解。

本节由一个简短而清晰的绕道来支持,即分子风暴如何驱使分子混合物达到化学平衡。对于读者来说,有必要转向化学,以便在接下来的几章中对化合物的反应进行冗长的讨论,这些化合物在细胞的新陈代谢中起着核心作用。本书最后详细讨论了热力学,热力学是有机分子产生的关键,以及新形成的地球环境,如热液喷口和池塘。

作为一个具有纯物理学背景的人,我很想参考其他来源,以充分理解更重生物学的章节。尽管如此,还是有足够的细节让读者舒适地遵循本书论点的大方向。但是,鉴于几乎不可能详细解释这样一个复杂主题的每个相关过程,同时仍然娱乐和吸引读者的注意力,格雷厄姆包括许多经过充分研究的建议,供进一步阅读和相关研究论文的链接。

哪个「难题」?

格雷厄姆的职业生涯以跨越物理学、哲学和经济学等各个学科的旅程为特征,反映在他的书的结构中。这种不同领域的融合可能就是 【分子风暴 】如此引人入胜的读物的原因。在整个叙事中,统计力学的强烈底色无疑要归功于他在剑桥大学获得的第一个理论物理学学位。

但格雷厄姆也利用他的哲学背景来解决生命起源的谜题,反复提到「玻尔兹曼大脑」的概念——即物质的随机波动可以产生意识的想法。同样,他明确地将「意识的难题」——质疑物质如何产生意识和主观体验——贬低说,「生命的起源是一个复杂的问题(我怀疑它会比所谓的意识'难题'更难)。

【分子风暴 】可能会在两个层面上吸引读者。首先,对于对物理学有普遍兴趣的读者来说,它可以看作是一本引人入胜的指南,可以研究物理学家对生命出现的看法。这位休闲读者可以享受旅程,而无需求助于附录中概述的数学计算。#热点引擎计划#

或者,对这一领域感兴趣的本科生将受益于计算和遵循解释。这本书也是科学研究跨学科性质的一个很好的例子,这一点在本科课程中往往没有得到充分的重视。但是,我建议学生读者手头有其他文本,除非他们已经对上述原则有很好的概念掌握。

事实上,普通读者和学生都会从参考在线资源中获益,因为书中的图表有时只是代表在线内容。

但是,由于大多数 【物理世界】 的读者都可能属于这些类别之一,因此我强烈建议您将 【分子风暴 】添加到您的阅读清单中。