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文章来源:黄河   发布时间:2020-11-28 21:12:26

为了模拟原始地球时而湿润、时而干燥的环足球外围平台境,他向小瓶中注入酸性温泉水,使小瓶逐渐蒸发干燥,然后再重复几次湿-干循环

这些海底环境可能非常极端:一些喷涌黑色水英超比赛投注柱的热浪喷口温度高达400摄氏度,然而,如果热液喷口在孕育早期生命方面发挥重要作用,那么它很可能是温度适宜的热液喷口例如:“遗失之城”是大西洋中部的bet英超投注一个热液区,从火山口流出的流体温度在40-90摄氏度之间,这里因其引人注目的石灰岩烟囱而闻名,一些海底石灰岩烟囱高度大约60米

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这些石灰岩烟囱是微生物的家园,它们以一种叫做蛇纹岩化的化学反应产物为食,加州美国宇航局喷气推进实验室天体物理学家劳里·巴格(LaurieBarge)说:“热液喷口是非常有趣的环境,因为它们位于水和岩石的交界面”像遗失之城这样的区域,水和岩石之间的化学反应使得从喷口流出的水比海洋中的水碱性更高,而海水中含有更高浓度的正电荷氢离子从碱性水向酸性水的梯度变化就像电池正极和负极之间的差异,它可作为化学活性的能量来源为了研究水下热液喷口的状况,巴格在实验里了建立了模拟环境,她说:“我们可以模拟自然界所看到的事物”为了描绘早期地球的海洋环境,她在一个倒置玻璃瓶中装满了含铁但不含氧的酸性混合物,塑料管一端穿过玻璃瓶狭窄底部,连接着稳定的碱性溶液,其作用就像一个排气口

研究人员模拟了一个酸性海洋中的碱性热液喷口,以探索古代海洋的化学成分,这样的条件能产生烟囱结构当巴格和同事将含有RNA核苷酸的碱性喷口溶液注射到一个海洋模拟瓶时,单个的RNA核苷酸将连接成短链研究者称这种理论为“建构子理论”(constructortheory)

然而,尽管这是个很迷人的理论,但一个突出的问题是:如何验证它?“当我第一次学习建构子理论时,它显得过于大胆,不像是真的,”英国爱丁堡大学物理学和遗传学专业的研究生阿贝尔·詹斯玛(AbelJansma)说道,“早期的论文涵盖了生命、热力学和信息学,对于这样一个年轻的理论而言,基础工作似乎太多了不过,用这种方式来研究这个理论或许也是自然而然的作为局外人,能见证这一切很令人兴奋”琪娅拉·玛莱托(ChiaraMarletto)是一位年轻的物理学研究者,她对生物过程方面的问题很感兴趣

物理学定律并没有说明生命存在的可能性,然而物理学常数的任何一点细微的变化都可能使我们已知的生命不复存在那么,为什么自然选择的演化在一开始就是可能的呢?无论你盯着物理方程看多久,都永远不会明白它们为何允许生物演化;然而,很显然,它们确实使生物演化成为可能

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玛莱托对这种矛盾感到不满她想解释为什么在物理定律没有暗示生命应该存在的情况下,生命的出现和演化是可能的她找到了2013年的一篇论文,由牛津大学的物理学家和量子计算先驱大卫?多伊奇(DavidDeutsch)所写,为建构子理论奠定了基础该理论的基本原则是:“所有物理学定律都完全可以表述为一组陈述,即哪些任务(物理变换)是可能的,哪些任务是不可能的,为什么会如此

”马莱托表示,她推测“建构子理论有一套有用的工具来解决这个问题”,即尽管物理定律没有明确编码生物适应的设计,为什么演化还是可能的出于对这些可能性的好奇,玛莱托很快将她的博士研究重点转向了建构子理论许多理论关注的是已经发生了什么,而建构子理论关注的是可能发生什么例如,在当前的物理学范式中,人们试图根据彗星的初始状态和广义相对论的运动方程来预测其运动轨迹

相比之下,建构子理论更为整体,试图解释这颗彗星在原则上可能会有哪些轨迹例如,彗星速度超过光速的轨迹是不可能的,但是速度低于光速的轨迹是可能的,只要它们也符合相对论定律

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今天主流的物理学理论可以解释像两个黑洞碰撞这样剧烈的现象,但很难解释一棵树如何存在,以及为什么存在建构子理论关注的是可能发生的事情,因此可以解释那些本质上不可预测的领域——比如演化——的规则,即任何需要解释的模式

建构子理论也可以捕获信息的属性,这些属性不依赖于它们所存在的物理系统例如,同样的歌词可以通过无线电波发送,也可以在一个人的脑海中想象,或者写在一张纸上信息的建构子理论也提出了新的原则,来解释哪些信息的变换是可能的,哪些是不可能的,以及为什么热力学定律也在建构子理论中得到了精确的表达;在此之前,这些定律只被陈述为近似值,在特定的尺度内适用例如,在试图描述热力学第二定律(即孤立系统的熵永远不会随着时间而减少)时,一些模型显示,一个物理系统将达到最终的平衡(最大熵),因为这是系统“最有可能”的配置但是,这些模型的测量尺度在传统上是任意的

这样的模型是适用于纳米尺度的系统,还是只适用于由一个粒子组成的系统?建构子理论通过可能和不可能的变换,而不是一个物理系统随时间的演变,来重新解释了热力学定律;在这一过程中,该理论也用精确的、与尺度无关的陈述对这些定律进行了描述:热力学第二定律允许一些从X到Y的变换成为可能,但不是反过来——功可以完全转化为热量,但热量在没有副效应的情况下,不能完全转化为功自科学革命以来,物理学已经取得了长足的进步

1687年,艾萨克·牛顿在他的代表作《数学原理》(PrincipiaMathematica)中提出了他的宇宙物理理论牛顿的经典力学理论建立在他著名的“运动三定律”的基础上,意味着一个人如果知道力作用在一个系统上的时间间隔,也知道系统的初始速度和位置,就可以利用经典力学的运动方程,来预测系统这一时间间隔中任意后续时刻的速度和位置

在20世纪的头几十年里,经典力学在两个方向上都被证明是错误的量子力学在解释微观世界的物理方面颠覆了牛顿的理论

爱因斯坦的广义相对论取代了经典力学,加深了我们对引力以及质量、空间和时间的本质的理解虽然这三种理论——经典力学、量子力学和广义相对论——在细节上有所不同,但它们都可以用初始条件和运动的动力学定律来表达,而这些定律允许人们预测系统在时间上的轨迹状态这个整体框架便称为主流概念然而,在许多领域中,我们最好的理论都还无法用初始条件和运动定律的主流概念来表达

例如,量子计算定律从根本上并不是关于量子系统在某个初始状态之后会发生什么,而是关于信息的哪些变换是可能的,哪些是不可能的所谓“通用量子计算机”——一台能够精确模拟任何物理系统的量子计算机——能否建成的问题,与“初始条件加运动定律”的框架截然不同

即使在宇宙学领域,用主流概念来解释宇宙初始条件这一众所周知的问题也是非常困难的:我们可以反过来理解大爆炸之后发生的一切,但还无法解释为什么宇宙会出现在其特定的初始状态,而不是其他状态不过,建构子理论或许可以表明宇宙在大爆炸时的初始条件,可以从该理论的原理中推导出来

如果你只从主流概念的角度来考虑物理学,那么量子计算、生物学和宇宙诞生的问题似乎都不可能解决建构子理论的基本成分是建构子、输入基质和输出基质

建构子是能够引起特定物理变换,并保留再次进行这种变换的能力的任何对象输入基质是呈现给建构子的物理系统,输出基质则是建构子对输入基质进行变换后产生的物理系统对于建构子理论如何描述一个系统,我们可以用一个奶昔搅拌机来简单示例该装置混合了牛奶、水果和糖等成分,输出一种完全均质的饮料

奶昔搅拌机就是一个建构子,它可以一次又一次地重复这种变换:输入基质是一组原料,输出基质则是奶昔在宇宙中也有这样的例子,比如太阳

太阳就像一个核聚变反应堆,它把氢作为输入基质,将其转化为氦,再把光作为输出基质太阳本身就是建构子,因为它保留了再次引起此种变换的能力

在主流概念中,人们可以利用太阳的初始状态,通过适当的算法来运算,从而预测太阳在耗尽燃料后的终结在建构子理论的表述中,氢转化为氦和光是可能的;一旦我们了解从氢到氦再到光的转变是可能的,那么就可以推导出,一个能引起此种变换的建构子也是可能的

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