构造理论：为什么生命是可能的？

构造理论是物理学的一种新观点，但它有助于回答一个古老的问题，为什么生命是可能的？

自人类诞生以来，生物就一直让我们感到困惑和挑战。即使根据我们现代的科学认识，它们也显得非同寻常。

猎鹰捕食猎物、蜂鸟悬浮在花朵旁的空中、细菌细胞的自我繁殖，所有这些都是令人惊叹的控制和精确的实例。如此复杂的东西怎么可能源自惰性物质？

千百年来，一些最杰出的思想家，一直试图回答这个问题。他们中的大多数人都得出结论，生物一定是通过有意的设计过程产生的。

当然，他们错了，达尔文的重大飞跃，变异和自然选择的进化论，表明了这些令人难以置信的复杂机制，是如何在没有设计的情况下产生的。

然而，要证明生命本身是如何在没有设计的情况下产生的，这项任务却出人意料地令人头疼。

达尔文的理论所要解决的问题，归根结底源于物理学，生物具有某些特性，似乎使它们有别于其他惰性物质的集合体。

它们有许多不同的子部分，生物适应性的实例，都能协调地发挥某种功能。这就是关键特性。

它们非常类似于工厂和机器人等经过设计的物体。例如，眼睛中的睫状肌和晶状体就像精密照相机的光学部件一样，通过精密协调来实现视觉。

在现代生物学中，这被称为 "设计的表象"，苏格拉底曾描述过这一特性，1802 年，威廉-佩利在他的 "钟表匠 "论证中，对上帝的存在给予了经典的表述。

生物就像工厂和机器人一样，有能力非常精确地进行物理变化，而且能够反复可靠地进行这种变化。

山羊的下颚和心脏一生都在不停地咀嚼和跳动。如果你让山羊在你的草坪上吃草，它会非常精确地修剪草坪，而且在遇到另一块草坪时，它也能做同样的事情。这样下去，山羊就是一台割草机。

与工厂不同，所有生物都依赖于一种相当奇特的装置，活细胞。细胞可以自我复制，制造新的细胞，其核心是忠实地复制细胞 DNA 中的遗传信息。

在自然界的其他地方，我们找不到这种能力。即使在人类技术中，也只有一些朦胧的预兆，比如 3D 打印机可以打印出自己的一些零部件。

为什么生物的这些特征会成为物理学的难题呢？最重要的是，物理世界中什么可以发生，什么不可以发生，是由物理定律决定的。

例如，无论投入多少资源都无法制造出永动机，因为这是物理定律所禁止的。反过来说，鉴于我们的宇宙中存在生命，物理学必须允许生命的存在。

但是，我们的物理定律只提供了某些基本物体，比如大量的简单化学物质。

这些物体本身并不具备反复引起高精度变换的能力。它们似乎也不适合做任何特别的事情。

如果它们真的能引起变换，也不会非常精确和可靠，它们会磨损，会出错，它们的资源会耗尽，等等。

物理定律并不包含精确转换的内在机制；尤其是，也不包含能够实现这种转换的生物适应机制。

在这种特殊意义上，它们是无设计的。因此，从物理学的角度来看，生物的问题在于，它们具有高度的适应性，能够实现各种高精度的转换，而物理定律却不具备这种适应性。

既然生命不是有意设计过程的产物，而是进化而来的，那么在这些无设计的物理定律下，生物又是如何进化的呢？

达尔文的理论解决了这个问题，解释了变异和自然选择带来的设计外观。但这本身并不能弥补解释上的差距，这一点我们在达尔文理论的现代版本，新达尔文主义中看得尤为清楚。

新达尔文主义的核心是复制器，即基因通过复制传递给下一代的DNA位点。

此外，要使复制在生物体内准确无误，还需要细胞准确无误的自我复制。

该理论预设了某些精确物理变化的可能性，而这些正是无设计物理定律在其初始工具包中未能提供的。

难题就在这里，生物复制和自我繁殖，是如此惊人的精心策划的物理变化，我们必须解释它们是如何在我们这种简单的、无设计的物理定律下成为可能的。

这个额外的解释并没有包含在进化论中，但对于进化论正确解释生物，如何在没有有意设计的情况下产生，缩小解释上的差距，是至关重要的。

物理定律必须经过调整才能产生生物适应性的结论是惊人的错误。

事实证明，用物理学的现行方法很难做出这样的解释。物理学方法只能预测在一定的初始条件和运动规律下，物理系统以后会做什么（或可能会做什么）。

但是，将运动定律应用于粒子，是表达设计、复制、自我繁殖和自然选择的一种费力不讨好的方式。这些过程是高度突发性的，涉及无数相互作用的粒子的集体运动。

还有更多。即使我们可以预言，给定一定的动力学定律和初始条件，粒子会聚集在一起，从而在某个时间形成一只山羊，这也根本无法解释山羊，是否可以在没有设计的情况下产生。

山羊的设计可能是由初始条件或运动规律编码的。一般来说，我们必须解释在没有设计的物理定律下，山羊是否可能以及如何可能（即允许）出现。

而不是仅仅预测，在某种实际定律和初始条件下，山羊会（或可能会）出现。

在这一流行观念的指导下，一些物理学家，包括 1963 年诺贝尔奖得主尤金-维格纳和已故的量子物理学家大卫-博姆，得出结论认为，物理定律必须经过调整才能产生一般的生物适应性。

这是惊人的错误。如果这是真的，那么物理理论就必须在初始条件或运动定律中，或在两者中添加 "设计性 "的内容来修补，达尔文进化论的全部解释内容也就失去了意义。

那么，如果现有的概念工具不够充分，我们又如何从物理学角度解释，在不包含隐藏设计的定律下，复制和自我复制是如何成为可能的呢？

我们可以运用一种新的物理学基础理论，构造理论。

构造理论是物理学教授大卫-多伊奇提出的一种解释模式，他是通用量子计算机理论的先驱。

通过构造器理论，多伊奇概括了导致这一早期想法的一些见解，并将其应用于整个物理学。

在构造器理论中，物理定律的制定只考虑哪些任务是可能的（具有任意高的准确性、可靠性和可重复性），哪些任务是不可能的。

以及为什么，而不是考虑在动力学定律，和初始条件下会发生什么和不会发生什么。

如果物理定律禁止某项任务，那么它就是不可能完成的。否则，它就是可能的，这意味着该任务的构造函数，一个导致任务发生，并保留再次导致任务发生能力的对象，可以在现实中被任意逼近。

汽车工厂、机器人和活细胞都是构造器的精确近似。

这种视角的彻底改变与当前对初始条件和运动规律的解释是一致的，但允许在物理学中解释更多现象。

例如，在某些初始条件下，现有概念最多只能预测地球上将会（或可能会）出现的山羊的确切数量。

而在建构论中，人们可以指出山羊是否可能，以及为什么可能；还可以指出永动机是不可能的。

这种对可能和不可能任务的分配，挑出了一些规律和一些初始条件，这就是人们如何恢复主流概念的现实图景。

现在，首先要注意的是，这个框架是多么自然地让我们表达我们的生物学问题。

在没有设计的物理定律（即不包含生物适应性设计的定律）下，精确复制和自我繁殖是否可能？

生命建构论与进化论相结合，给出了明确的 "是"。

也许这听起来像是一个不争的事实：很明显，复制和自我繁殖确实发生了！但是，生命建构论还说明了很多问题。

例如，它回答了这样一个问题，既然物理定律是无设计的，而生物中确实存在精确的自我复制者和复制器。

并且是进化论所要求的，那么这些构造者和无设计定律必须具备哪些条件才能相互兼容呢？

首先，我们要确定在这种规律下，精确的构造器（如汽车工厂）的运行需要具备哪些特征。

事实证明，这种机器必须遵循一个配方，一连串执行任务和纠正途中出现的任何错误的基本指令。

因为这些指令很简单，所以不需要任何特殊的设计就能执行,它们是一种转换。

比如说，表盘 "咔嗒 "一声就位；或者当氢原子和氧原子碰撞时，水分子呈现出正确的形状。它们与无设计的物理定律直接相容。

事实上，一家汽车制造厂就包含了用基本部件制造汽车（以及进行质量控制）所需的步骤说明。

配方必须是工厂的一部分，因为它毕竟没有写入非设计物理定律。在一个可持续数百万年的高精度构造器中，配方必须被多次复制。

构造汽车的指令必须被一代又一代地复制到新的录音中，这样才能使汽车工厂在部件磨损的情况下仍能经久不衰。

配方必须是一个复制器。因此，对于能够长期存活的构造器来说，配方中的信息必须是数字化的，这样才能在复制后进行可靠的纠错。

如果不是这样，那么错误的检测能力就会受到根本限制，从而导致错误的积累，并限制了可达到的精确度和复原力。

自我繁殖的细胞也必须做到这一切。母细胞中含有一个 DNA 配方，其中包含构建新细胞的所有指令（配方除外）。

这意味着，精确的自我复制只能分两步进行。通过逐字复制和纠错，母细胞复制出一份高保真的食谱，插入新细胞。

然后，母细胞按照食谱重新构建复制机制和细胞的其他部分。20 世纪 40 年代，匈牙利出生的物理学家约翰-冯-诺依曼首次发现了这种逻辑。

他当时正在探索细胞自动机，例如康威的生命游戏中使用的离散计算模型，这种模型依赖于非物理的动力学规律。

构造理论表明，在任何无设计法则的情况下，这是唯一可能实现精确自我复制的逻辑。

只要具备必要的知识，任何不为物理定律所禁止的转换都可以实现。

构造理论赋予了 "配方 "在基础物理学中的精确特征。它是数字编码信息，可以充当构造器，并具有弹性。

一旦在物理系统中实例化，就能保持这种实例化的能力。在构造器理论中，这种信息被称为 "知识"，这里的 "知识 "一词并没有通常意义上的 "某人已知 "的含义。

它只是表示这种具有因果能力和弹性的特殊信息。而解释生物（以及一般的精确建构者）所有与众不同的特性的一个重要部分，就是它们包含这种意义上的知识。

此外，建构论的一个基本观点是，只要具备必要的知识，任何不为物理定律所禁止的转换都可以实现。

没有第三种可能：要么物理定律禁止，要么可以实现。这就解释了进化故事的另一个方面。

只要具备相关知识，就能无限制地制造出更好的构造器，并将其实例化为数字配方。

从构造器理论的角度来看，进化的早期历史是一个漫长的、极不精确的、非实用性的构造过程，最终从不具任何知识的基本事物中产生出具有知识的配方。

这些基本物质是一些简单的化学物质，如短核糖核酸链，它们只能进行低保真复制，因此不具备设计的外观，因此被允许存在于受无设计法则支配的前生物环境中。

因此，生命建构论明确表明，自然选择并不需要假定存在，任何包含知识的初始配方就可以开始。

它表明，无论我们在生命体中发现什么配方，它们都不需要临时的、以生物为中心的或神秘的物理定律，就能从基本的初始成分中诞生。

它们只需要物理定律允许数字信息的存在，再加上足够的时间和能量，而这些对于生命来说都是非特异性的。

这就为我们统一对生命现象和物理现象的理解提供了另一个深刻的理由。只要物理定律不禁止，我们就能做到。

至于我们会不会做，取决于我们创造了多少知识。这取决于我们自己。