吕乃基

本系列以宇宙的演化来说明进化与退化的关系。为此，有必要先简要叙述宇宙的演化历史。

大致可以由3大环节来描述迄今137亿年自然界的演化史，每一环节的演化大体上都由两部分的演变组成。通常认为，量子阶梯是自然界中万物的核心构架，实际上，与量子阶梯相伴的还有另一个阶梯。本文标题所说的演员与舞台，即分别对应于作为核心构架的量子阶梯，以及与之相伴的另一个阶梯。揭示后者的存在及其与量子阶梯的关系，有助于全面认识自然，以及相应的学科建设。

一、         宇宙起源和基本粒子生成

按目前基本上达成共识的暴涨宇宙论和热大爆炸理论，宇宙的起源大致经历以下阶段。在宇宙时零秒时，存在温度极高、质量与能量密度极大的奇点，因目前尚不清楚的原因而发生暴涨和大爆炸，在而后的几十万年间，随着温度渐次降低，经历了强子、轻子、辐射和物质时代，生成了夸克、轻子、强子、氘核、氦核（太初核合成），以及氢、氦原子和氢分子等。

在这一过程中，极早期宇宙是舞台或熔炉，在舞台上扮演主角的是各种基本粒子。后者在极早期宇宙的熔炉中逐一生成。

二、         恒星演变与核素生成

跨入物质时代后，因引力分布不均匀，宇宙尘埃在密度大处彼此吸引逐步形成星云，后者进一步收缩，温度越来越高，生成恒星。恒星内部的一系列核反应产生的能量顶住万有引力，同时由氢和氦生成了碳、氧、氮、硅……一直到铁的各种核素。而后发生的核反应不仅不能产能，反而吸收能量，于是恒星发生坍缩和超新星爆发。超新星爆发时温度和压力极高，在极短时间生成包括铀在内的一系列核素，并抛射到空中，成为第二代恒星的原料。太阳即第二代恒星。

恒星的末态视其质量大小走完不同的道路。与太阳相仿者成为白矮星，以简并电子气的斥力抵御引力；大于1.4个太阳质量（钱德拉塞卡极限）的恒星，简并电子气也挡不住引力的吸引，形成中子星，以中子简并压平衡引力。质量若大于3个太阳质量，即成为黑洞。

在恒星的一生中，生成了一系列核素。恒星为核素的表演提供了舞台，核素经由各种核反应或维系或推进恒星的演变。在舞台最后复归沉寂之时，核素退场，复归于核素的前身：简并电子气、中子和夸克。在第一个环节极早期宇宙与基本粒子的关系，在第二个环节转化为恒星演变与核素生成的关系。

三、         地球（太阳系）演变与生命起源

在约46亿年前，地球随着太阳系的形成而诞生。地球质量不是太大因而不至于演变为恒星（木星似乎有这种可能？），也不是太小而留不住水和大气；不是距太阳过近而温度过高，也不是过远而太寒冷。在地球内部逐步形成地核、地幔和地壳，在外部形成大气圈和水圈，开始生命的化学起源，最后形成生物圈。

地球（太阳系）是化学进化、生命起源和生物进化的温床和摇篮，反之，化学进化、生命起源和生物进化又在地球上留下了自己的印记，进而改变了地球，典型事例就是由还原性大气转变为氧化性大气。前述两个环节中的舞台与演员，在此转化为地球（太阳系）与元素、化合物、细胞，以及生物的关系。

 

在上述3个环节中有一个共同点，每个环节中都有一方充任某种时空背景和物质基础，为另一方提供舞台和竞技场。舞台和演员，在相互作用中协同演变。由于舞台与演员之间的密切关系，因而相关的学科之间也会有密切的联系。例如，地质学和化学进化的关系，以及在更广泛的意义上，地球科学（可能还有比较地质学）与生命科学的关系等，在这些结合点上，可能会有新的发现。汪品先院士要求将地学和微生物学、生态学结合起来。有人提出“盖娅”假说，提出“地球生理学”。

由演员组成的系列：基本粒子、核、原子、分子、生物大分子、细胞……，就是通常所说的量子阶梯。与此同时，舞台也构成了一个系列：宇宙、天体、地球……。有趣的是，量子阶梯的空间尺度由小到大，而“舞台”系列的空间尺度却由大到小。前者的极小与后者的极大在奇点重合（参见：始基与本原，极大与极小http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=249524）。除了空间尺度外，另一点发生转换的是舞台和演员双方的作用强度或“主动性”。在第一个环节，极早期宇宙的演化主宰一切，充任演员的基本粒子只是被动的生成；到第二个环节，核素以核反应影响恒星的一生；而在第三个环节，生物在一定程度上可以改造环境，改造舞台。地质的演变实际上受到化学进化、生命起源和生物进化的深刻影响。“许多原来以为‘无机’的地质过程，其实都是生命活动的结果。”（汪品先）

 

沿着上述思路继续推演，那就迎来延续到今天的第四个环节：地球和社会，以及人类繁衍。人类的所作所为给予其生存和表演的舞台以前所未有的影响。哥本哈根全球气候会议是人类前所未有的反省。

记得玻尔曾在上世纪30年代说过，在人生的道路上没有旁观者，每个人既是观众，又是演员。用在此处，就是每个人都以自己的一言一行给他所处的舞台施加了影响，给其他演员施加了影响，给同样参与的观众施加了影响。

 

对宇宙演化前3个环节的探索，对其中进化与退化关系的探索，或许将有助于应对在第四个环节中于当前面临的危机。

 

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