深度長文：原子可以“永生”，為什么生命不行？

生命是什么？

從本質(zhì)上來說，它既是一種具體“存在”的形態(tài)，也是人類對(duì)一系列復(fù)雜生命現(xiàn)象的概括與詮釋

我們總在感慨生命的短暫，總在追尋永恒的可能，這種對(duì)生命有限性的困惑，貫穿了整個(gè)人類發(fā)展史。

古時(shí)候，帝王將相們坐擁天下、享盡榮華，卻始終無法擺脫對(duì)死亡的恐懼，為了追求永生，他們無所不用其極：

秦始皇派遣徐福率千名童男童女東渡蓬萊，尋找長生不老之藥；漢武帝沉迷煉丹術(shù)，耗費(fèi)大量人力物力煉制“仙藥”；

唐太宗晚年也深陷長生迷夢，最終因服用丹藥而損害健康。然而，無論他們付出多少努力，都未能得償所愿，死亡終究是無法跨越的鴻溝。

時(shí)至今日，人類的科技水平、生物技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，我們能夠攻克曾經(jīng)的絕癥、延長人類的壽命，能夠操控基因、培育試管嬰兒，卻依然無法突破生老病死的自然限制。

組成我們身體的每一個(gè)原子，看似是永恒存在、不會(huì)消亡的，它們在宇宙中循環(huán)往復(fù)，從一顆恒星到另一顆行星，從一個(gè)生命體到另一個(gè)生命體，仿佛擁有無限的生命。

既然原子可以“永生”，那由無數(shù)原子組成的生命，為什么不能實(shí)現(xiàn)永恒？

要理解生命為何無法永恒，首先要認(rèn)清宇宙的基本法則——守恒定律。

我們每個(gè)人的身體，都是由大量化學(xué)元素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中最主要的元素是碳、氫、氧，這三種元素占據(jù)了人體質(zhì)量的96%以上，此外還有氮、鈣、磷、鐵等多種微量元素，它們共同構(gòu)成了我們的骨骼、肌肉、器官和血液。

據(jù)科學(xué)估算，一個(gè)體重70公斤的成年人，身體內(nèi)大約包含10^28個(gè)原子，這個(gè)數(shù)量級(jí)相當(dāng)于100萬億億億個(gè)，如此龐大的原子群體，共同支撐著我們的生命活動(dòng)。

或許有人會(huì)好奇，這些構(gòu)成我們身體的原子，來自哪里？答案其實(shí)很神奇——它們都來自宇宙中那些發(fā)光發(fā)熱的恒星，是恒星演化過程中產(chǎn)生的“產(chǎn)物”。

恒星就像是宇宙中的“原子工廠”，通過核聚變反應(yīng)，將輕元素轉(zhuǎn)化為重元素，比如氫聚變成氦，氦再聚變成碳、氧等，當(dāng)恒星走到生命盡頭，發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)，這些被制造出來的原子就會(huì)被拋射到宇宙空間中，隨著星際塵埃的漂移，最終可能聚集形成行星，而我們的地球，就是由這些來自恒星的原子組成的，我們每個(gè)人，本質(zhì)上都是“星塵的孩子”。

要進(jìn)一步理解原子的“壽命”，我們需要先了解原子的基本結(jié)構(gòu)。

一個(gè)原子由原子核和核外電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，其中質(zhì)子和中子屬于亞原子粒子，我們稱之為重子，它們并非不可再分，而是由更加基本的夸克和膠子組成——質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成，中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成，膠子則負(fù)責(zé)將夸克束縛在一起，形成穩(wěn)定的質(zhì)子和中子。而核外電子屬于基本粒子，不可再分，我們稱之為輕子，它圍繞著原子核做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，決定了原子的化學(xué)性質(zhì)。

原子的基本性質(zhì)，由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定：質(zhì)子數(shù)為1的是氫元素，質(zhì)子數(shù)為6的是碳元素，質(zhì)子數(shù)為8的是氧元素，不同的質(zhì)子數(shù)對(duì)應(yīng)不同的元素，而不同的元素又擁有不同的化學(xué)性質(zhì)和物理特性——正是這些性質(zhì)的差異，讓原子能夠組合成不同的分子，進(jìn)而構(gòu)成復(fù)雜的生命體。

在很長一段時(shí)間里，人類都認(rèn)為，雖然生命是短暫的，但組成生命的物質(zhì)（質(zhì)量）是永恒的，因?yàn)槲覀兺ㄟ^實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管物質(zhì)經(jīng)歷多長時(shí)間的變化，不管是被外界環(huán)境侵蝕、發(fā)生物理變化，還是參與復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)生成物的總質(zhì)量和參與反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量始終相等。

我們在高中化學(xué)課上學(xué)習(xí)的化學(xué)方程式配平，正是基于這一原理——比如氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，2H? + O? 點(diǎn)燃生成 2H?O，反應(yīng)前后氫原子和氧原子的數(shù)量沒有變化，總質(zhì)量也保持不變。

基于這一普遍現(xiàn)象，科學(xué)家提出了“物質(zhì)（質(zhì)量）守恒定理”，認(rèn)為物質(zhì)既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而總質(zhì)量始終保持不變。

這一定理曾經(jīng)被認(rèn)為是宇宙的基本法則，也讓人們產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺：既然組成生命的物質(zhì)是守恒的、永恒的，那么生命也應(yīng)該可以通過某種方式實(shí)現(xiàn)永恒。

然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是核物理學(xué)的進(jìn)步，以及愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2的提出，人類對(duì)守恒定律的認(rèn)知發(fā)生了根本性的飛躍。

愛因斯坦的質(zhì)能方程告訴我們，質(zhì)量和能量并不是相互獨(dú)立的，而是可以相互轉(zhuǎn)化的，其中E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表真空中的光速（約3×10^8米/秒）。

這意味著，不管是我們熟悉的化學(xué)反應(yīng)，還是核反應(yīng)，反應(yīng)前后的總質(zhì)量其實(shí)并不守恒，總會(huì)存在一定的質(zhì)量損失，而這部分損失的質(zhì)量，會(huì)按照質(zhì)能方程轉(zhuǎn)化為能量，被釋放到宇宙空間中。

為什么我們之前沒有發(fā)現(xiàn)這種質(zhì)量損失呢？

因?yàn)樵诨瘜W(xué)反應(yīng)中，質(zhì)量損失的比例極其微小——比如1千克氫氣和氧氣完全反應(yīng)生成水，損失的質(zhì)量大約只有10^-10千克，如此微小的質(zhì)量變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們?nèi)粘y量工具的精度，因此很難被察覺。

但在核反應(yīng)中，質(zhì)量損失就會(huì)變得非常明顯——比如核裂變反應(yīng)中，鈾核分裂成兩個(gè)較輕的原子核時(shí)，會(huì)損失約0.1%的質(zhì)量，這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為的能量，足以支撐一座城市的供電需求；而核聚變反應(yīng)中，氫核聚變成氦核時(shí)，質(zhì)量損失率約為0.7%，這也是恒星能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱數(shù)十億年的原因。

正是基于這些發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們意識(shí)到，之前提出的“物質(zhì)（質(zhì)量）守恒定理”并不完全正確，它只適用于化學(xué)反應(yīng)等宏觀低速場景，而在宇宙的宏觀尺度和微觀粒子尺度，真正的基本守恒定律是“能量守恒定律”——宇宙中的總能量始終保持不變，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)。

按照這一基本定理，我們就可以得出一個(gè)重要結(jié)論：原子（質(zhì)子、中子、電子）作為一種物質(zhì)形式，并不是永恒守恒的，它們本質(zhì)上只是能量的一種表現(xiàn)形式，既可以被創(chuàng)造，也可以被毀滅。一個(gè)連原子都不能永生的宇宙，自然也就不存在“生命守恒”的道理，生命的有限性，從宇宙的基本法則層面就已經(jīng)被注定。

既然原子不是永恒的，既可以被創(chuàng)造，也可以被毀滅，那么它們究竟是如何誕生，又如何走向消亡的呢？要回答這個(gè)問題，我們需要回到宇宙的起源——138億年前的熱大爆炸。

在熱大爆炸發(fā)生之前，宇宙中根本不存在任何組成物質(zhì)的基本要素，沒有原子，沒有質(zhì)子、中子、電子，甚至沒有我們現(xiàn)在所知的任何基本粒子，整個(gè)空間中只存在波動(dòng)的真空能量，此時(shí)的宇宙處于一種極致的高溫、高壓、高密度狀態(tài)，溫度高達(dá)10^32開爾文（相當(dāng)于10^29攝氏度），這種溫度是我們?nèi)祟悷o法想象的，即使是太陽核心的溫度（約1.5×10^7開爾文），也只是它的萬億分之一。

大約在宇宙誕生后的10^-36秒，也就是普朗克時(shí)期之后，真空能量發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，導(dǎo)致空間呈指數(shù)級(jí)膨脹，這種膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光速，被科學(xué)家稱為“宇宙暴漲”。

在暴漲過程中，宇宙的體積在極短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大了10^26倍，相當(dāng)于從一個(gè)原子核的大小，瞬間膨脹到銀河系的大小，這種驚人的膨脹速度，徹底改變了宇宙的格局。

大約在10^-33秒后，宇宙暴漲結(jié)束，此時(shí)的真空能量被大量封存到了物質(zhì)中，產(chǎn)生了大量高能基本粒子和反物質(zhì)對(duì)，包括我們目前標(biāo)準(zhǔn)模型中已知的夸克、膠子、電子、中微子，以及一些未知的基本粒子，這個(gè)時(shí)期，就是熱大爆炸的核心階段。

在這個(gè)階段，宇宙空間中充滿了高能輻射，這些高能輻射相互碰撞，會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生粒子和反粒子對(duì)——比如質(zhì)子和反質(zhì)子、中子和反中子、電子和正電子（電子的反物質(zhì)）。而這些剛剛產(chǎn)生的粒子和反粒子，又會(huì)瞬間相互碰撞、湮滅，將自身的質(zhì)量全部轉(zhuǎn)化為能量，歸還給宇宙。

按照常理來說，粒子和反物質(zhì)是同時(shí)、等量被創(chuàng)造出來的，它們應(yīng)該會(huì)完全湮滅，不會(huì)有任何物質(zhì)殘留，那么我們現(xiàn)在看到的宇宙萬物，包括恒星、行星、生命體，也就不會(huì)存在。

這就引出了一個(gè)關(guān)鍵問題：為什么宇宙中會(huì)有物質(zhì)殘留？

答案就在于“重子數(shù)不守恒”。

重子數(shù)是物理學(xué)中用來描述重子（質(zhì)子、中子等）數(shù)量的物理量，按照傳統(tǒng)的物理理論，宇宙中的重子數(shù)應(yīng)該是守恒的，也就是說，質(zhì)子和中子的總數(shù)量始終保持不變，既不會(huì)增加，也不會(huì)減少。如果重子數(shù)真的守恒，那么宇宙誕生初期產(chǎn)生的質(zhì)子和反質(zhì)子、中子和反中子會(huì)完全湮滅，重子數(shù)始終為0，也就不會(huì)有任何重子殘留，更不會(huì)有后續(xù)的原子、恒星和生命。

幸運(yùn)的是，宇宙的重子數(shù)并不守恒，這種不守恒導(dǎo)致了正常物質(zhì)的數(shù)量略多于反物質(zhì)——據(jù)科學(xué)家估算，每產(chǎn)生100億個(gè)反物質(zhì)粒子，就會(huì)產(chǎn)生100億零1個(gè)正常物質(zhì)粒子。

正是這微小的差異，讓反物質(zhì)在與正常物質(zhì)的湮滅過程中被完全消耗殆盡，而剩下的正常物質(zhì)粒子（質(zhì)子、中子）則被保留了下來。

這一微小的不對(duì)稱，是宇宙能夠誕生萬物的基礎(chǔ)，也是我們能夠存在的前提。

隨著宇宙的不斷膨脹，空間溫度逐漸降低，當(dāng)溫度下降到約10^9開爾文時(shí)，殘留的質(zhì)子和中子開始相互結(jié)合，形成原子核——比如一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合形成氘核（重氫核），氘核再與一個(gè)質(zhì)子結(jié)合形成氦核，這個(gè)過程被稱為“宇宙核合成”。

大約在宇宙誕生后的38萬年，宇宙溫度下降到約3000開爾文，此時(shí)原子核的能量降低，能夠捕獲核外電子，形成中性原子——?dú)湓印⒑ぴ拥取?/p>

這些中性原子在引力的作用下逐漸聚集，形成星際云團(tuán)，經(jīng)過漫長的演化，星際云團(tuán)不斷收縮、升溫，最終形成恒星；恒星周圍的殘余物質(zhì)則逐漸聚集，形成行星、衛(wèi)星等天體，而我們的地球，就是這樣誕生的。

我們曾經(jīng)認(rèn)為，宇宙中的重子數(shù)是守恒的，中子可以衰變成質(zhì)子（自由中子的半衰期約為15分鐘），質(zhì)子和正電子結(jié)合也可以產(chǎn)生中子，不管如何轉(zhuǎn)化，重子數(shù)始終保持不變，因此原子應(yīng)該是永生的。

但這種認(rèn)知，隨著大統(tǒng)一理論的提出被徹底打破。大統(tǒng)一理論認(rèn)為，在極高的能量下，電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力會(huì)統(tǒng)一成一種力，而在這種統(tǒng)一的作用下，質(zhì)子也可以發(fā)生衰變，轉(zhuǎn)化為更輕的粒子（比如正電子和中性π介子）。

雖然質(zhì)子的衰變速度極其緩慢，其半衰期約為10^35年，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙現(xiàn)存的年齡（138億年），看起來質(zhì)子幾乎是“永生”的。但我們需要注意的是，人體中存在著10^28個(gè)原子，按照概率計(jì)算，每1.6年左右，我們身體內(nèi)就會(huì)有一個(gè)質(zhì)子發(fā)生衰變。

而原子的基本性質(zhì)是由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定的，一旦質(zhì)子發(fā)生衰變，原子核的質(zhì)子數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，原本的原子也就會(huì)變成另一種元素的原子，這意味著，原來的原子已經(jīng)“死亡”了。

比如，一個(gè)碳原子（質(zhì)子數(shù)為6）的質(zhì)子發(fā)生衰變后，質(zhì)子數(shù)會(huì)變成5，就會(huì)變成一個(gè)硼原子，原來的碳原子也就不復(fù)存在。

除此之外，原子還會(huì)在其他過程中被毀滅——比如在恒星的核聚變反應(yīng)中，輕元素的原子會(huì)被轉(zhuǎn)化為重元素的原子，原來的原子結(jié)構(gòu)被破壞；在核裂變反應(yīng)中，重元素的原子會(huì)分裂成輕元素的原子，同樣會(huì)導(dǎo)致原子的“死亡”；而在黑洞的引力場中，原子會(huì)被強(qiáng)大的引力撕裂，分解成基本粒子，最終被黑洞吞噬，徹底消失。

由此可見，原子并不是永恒的，它既可以在宇宙演化過程中被創(chuàng)造，也可以在各種物理過程中被毀滅，所謂的“原子永生”，只是一種相對(duì)的說法，是因?yàn)槠鋲勖h(yuǎn)遠(yuǎn)長于人類的感知范圍而已。

既然原子都無法實(shí)現(xiàn)真正的永生，那么由無數(shù)原子組成的生命，自然也就更難突破有限性的限制。

關(guān)于生命為何不能永恒，生物學(xué)領(lǐng)域也有諸多解釋，但這些解釋大多停留在生命自身的演化規(guī)律上，并沒有從根本上回答“為何生命不能在能量充足的情況下與原子同壽”。

從生物學(xué)角度來看，一個(gè)細(xì)胞的分裂次數(shù)是有限的，這是生命衰老和死亡的重要原因之一。

人體細(xì)胞的分裂速度有一定的規(guī)律，相當(dāng)于每2.4年更新一代。科學(xué)家通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人體細(xì)胞在理想的培養(yǎng)條件下，平均可以培養(yǎng)50代左右，每一代相當(dāng)于2.4年，這個(gè)規(guī)律被稱為“弗列克系數(shù)”。

據(jù)此計(jì)算，人類的平均壽命應(yīng)該為2.4×50=120歲，這也是人類壽命的理論上限，雖然現(xiàn)實(shí)中很少有人能夠達(dá)到這個(gè)年齡，但這一規(guī)律揭示了生命有限性的生物學(xué)本質(zhì)。

另一種被廣泛認(rèn)可的解釋是“端粒學(xué)說”。

端粒是人體細(xì)胞染色體末端的一段DNA序列，它的作用是保護(hù)染色體的完整性，防止染色體被降解或融合。但細(xì)胞每進(jìn)行一次分裂和復(fù)制，端粒就會(huì)縮短一些，就像一根繩子的末端，每磨損一次就會(huì)變短一點(diǎn)。

當(dāng)端粒縮短到一定程度，無法再繼續(xù)縮短時(shí)，細(xì)胞就會(huì)失去分裂能力，逐漸走向凋亡。細(xì)胞的生長、分裂、凋亡，構(gòu)成了生命的新陳代謝過程，而這個(gè)過程，正是生命衰老的過程——從幼年到青年，細(xì)胞分裂活躍，端粒較長，生命充滿活力；從青年到老年，細(xì)胞分裂速度減慢，端粒逐漸縮短，身體機(jī)能逐漸衰退，最終走向死亡。

雖然這些生物學(xué)解釋能夠很好地說明人類為何會(huì)衰老、為何會(huì)死亡，但它們并沒有回答核心問題：如果我們能夠持續(xù)為細(xì)胞提供充足的能量，能夠阻止端粒縮短，能夠讓細(xì)胞無限分裂，生命是否就能實(shí)現(xiàn)永恒？

從物理學(xué)的角度來看，答案是否定的，因?yàn)檫@違背了宇宙的另一個(gè)基本法則——熱力學(xué)第二定律，也就是熵增定律。

熱力學(xué)第二定律告訴我們，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵（混亂度）總是會(huì)自發(fā)地從有序向無序發(fā)展，這個(gè)過程是不可逆的。

熵增是宇宙的必然趨勢，任何系統(tǒng)都無法擺脫這一規(guī)律——一堆整齊堆放的沙子，最終會(huì)被風(fēng)吹散、被雨水抹平，變得雜亂無章；一座精心建造的高樓，經(jīng)過歲月的侵蝕、風(fēng)雨的沖刷，最終會(huì)坍塌、腐朽，歸于塵土；一杯滾燙的熱水，會(huì)自發(fā)地向周圍環(huán)境散熱，最終變得和室溫一樣，而不會(huì)自發(fā)地重新變熱；一個(gè)生命體，作為一個(gè)高度有序的系統(tǒng)，也必然會(huì)遵循熵增定律，從有序走向無序，從鮮活走向腐朽。

生命的本質(zhì)，是一個(gè)不斷對(duì)抗熵增的過程。

為了維持自身的有序性，生命體需要不斷從外界攝入能量（比如人類吃飯、呼吸，植物光合作用），將外界的有序能量轉(zhuǎn)化為自身的能量，用來修復(fù)細(xì)胞、維持新陳代謝、抵抗外界的侵蝕。

但這種對(duì)抗熵增的過程，只能延緩熵增的速度，卻無法阻止熵增的發(fā)生。因?yàn)樵谀芰哭D(zhuǎn)化的過程中，總會(huì)有一部分能量被轉(zhuǎn)化為無用的熱能，散發(fā)到宇宙空間中，導(dǎo)致系統(tǒng)的總熵增加。

隨著時(shí)間的推移，生命體的有序性會(huì)逐漸被破壞，細(xì)胞的功能會(huì)逐漸衰退，器官的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)逐漸失靈，最終，當(dāng)熵增達(dá)到最大值時(shí)，生命體就會(huì)徹底失去活力，走向死亡。

更重要的是，生命的存在，依賴于原子的有序組合。

我們的身體，是由10^28個(gè)原子按照特定的規(guī)律組合而成的——原子組成分子，分子組成細(xì)胞，細(xì)胞組成組織，組織組成器官，器官組成系統(tǒng)，最終形成一個(gè)完整的生命體。這種有序的組合，是生命存在的基礎(chǔ)，而原子的衰變、毀滅，會(huì)不斷破壞這種有序性。

即使我們能夠?yàn)榧?xì)胞提供充足的能量，能夠阻止端粒縮短，也無法阻止原子的衰變，無法阻止原子的有序組合被破壞。當(dāng)大量原子發(fā)生衰變、被毀滅，生命體的有序結(jié)構(gòu)就會(huì)徹底崩塌，生命也就無法繼續(xù)存在。

從宇宙的尺度來看，生命的存在本身就是一種偶然——是宇宙暴漲、重子數(shù)不守恒、恒星演化等一系列偶然事件的疊加，才讓生命得以誕生。而生命的有限性，卻是一種必然——是能量守恒定律、熵增定律等宇宙基本法則的必然結(jié)果。

原子雖然壽命漫長，但終究會(huì)被創(chuàng)造、被毀滅；生命雖然鮮活短暫，卻在有限的時(shí)間里，展現(xiàn)出了無限的可能。

或許，我們不必執(zhí)著于追求生命的永恒。

正是因?yàn)樯怯邢薜模覀儾艜?huì)更加珍惜每一分每一秒，才會(huì)努力去熱愛生活、實(shí)現(xiàn)自我，才會(huì)在有限的生命里，創(chuàng)造出屬于自己的價(jià)值。

宇宙的法則注定了生命無法永恒，但也正是這種有限性，讓生命變得更加珍貴、更加有意義。