何謂生命?物理學家:流動

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生命的動力來自流動系統--空氣、血液、食糧、水份。
生命的動力來自流動系統--空氣、血液、食糧、水份。

人生的大哉問之一,就是生命本身。古往今來無數領域嘗試解釋箇中奧秘,而對物理學家 Adrian Bejan 來說,所有生命均從屬自然的「大設計」--流動:生命進化,就是機制改良,提高物質流動效率。小至血管,大至旋渦,莫不遵從自然界的「構造定律」,Adrian Bejan 甚至認為,物理能夠解釋所有演化,包括人類文明進程。生命的歷史,就是流動的歷史。

美國杜克大學機械工程系教授 Adrian Bejan 於 1996 年提出「構造定律」(Constructal Law),表示自然界所有物體,不論有生命或無生命(如河流),均遵從一個定律:「一個有限的系統如要長存(例如生存),必須不斷演化,而演化必須促進內部能量或物質的流動效率。」系統應致力減少能量消耗,同時將消耗能量所產生的熵(entropy)最大化,換言之,進化有其目的:以高效結構取代低效結構。

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物理學家 Adrian Bejan 提出構造定律,以流動系統解釋在自然界設計下萬物演變的原理。 圖片來源:Amazon
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Adrian Bejan 新作將推論更進一步,認為人類文明同樣遵從流動系統的演變邏輯。 圖片來源:Amazon

聲稱演化跟從自然設計,算不算「目的論」?「我會說,自然傾向『自由』演化--隨時演變以促進能量流動。」Adrian Bejan 在「國家地理」訪問中解釋,流動系統無處不在,由血液運行(生命體)、河流(無生命體)到生火(人類活動),演變方式均是減少阻力,以改良能量或物質的流動為目的。

「演化是界定效率的關鍵,」Adrian Bejan 解釋,「我提出的演化不是達爾文式演化,而是萬物發展有以目標為本的傾向,指向同一種設計與組織方式。」演化設計並非人類設計,不會指向理想形態,純粹是「見步行步」的系統改良。所謂設計與組織,其實隸屬自然科學概念。

「生命來自動力(engine)。如果沒有引力或推力,世上就沒有運動。」Adrian Bejan 因而將生命定義為「流動與隨意變化以求生存的系統」。「所有動力都會產力能量,但能量眼不能見,一發即逝,消散在流動的過程裡。地球之所以不斷演變,就是靠太陽發動引擎。」

不論是生命體(動物)或無生命體(河流),運作與演變都遵從流動系統。 圖片來源:路透社
不論是生命體(動物)或無生命體(河流),運作與演變都遵從流動系統。 圖片來源:路透社

構造定律提出能量與物質的流動原理,Adrian Bejan 新書「生命的物理:不變之萬變」(The Physics of Life: The Evolution of Everything)推論更進一步:人類文明例如建築、交通遵從同一「高效演化」。共同特徵之一,就是層級結構。

「規模與方便息息相關,物理學早有證明。」流動系統規模愈大愈有效率,較闊通道一方面能容納更多可能性,另一方面能減少阻力。根據構造定律,演化傾向方便流動,物件理應愈變愈大。Adrian Bejan 認為說法至此「對了一半」。

「事實的另一半則是:大型物件的活動不如小型物體靈活。」Adrian Bejan 續指,所有流動系統都有容量,一個有效率的系統必須由細小的元素與分支組合而成,借助這種「層級結構」(hierarchy),整體才得以不斷改善。

Adrian Bejan 以高第的仿生建築為例,解釋流動系統的層級結構。
Adrian Bejan 以高第的仿生建築為例,解釋層級結構如何增加流動效率。

「這也是為甚麼有物理學家會去解釋和預測壽命。體積愈大,生命體愈長壽,走得愈遠;同時,大型生物亦需與小型短命生物共存,才能擴大生存機率。」Adrian Bejan 認為,同樣道理不限自然演化,亦能應用於人類活動,由飛機構造乃至社會組織都值得從中參考。

物理意謂自然法則,「自然」即萬事萬物,包括生命。何謂生命?「現在很清楚了,答案就來自物理。」物理就算不能處理價值問題,起碼能夠解釋生命的演化動力。掌握生命的歷史,人類的未來才有自由。