作者：吉姆．艾爾—卡利里（Jim Al-Khalili ）、約翰喬伊．麥克法登（Johnjoe McFadden） 生命最核心的謎團是：生命與岩石，都由相同物質組成，為什麼展現出來卻如此不同？ 最早嘗試去了解這個問題的，是古希臘人。 哲學家可能是世界上第一位偉大的科學家，他確認了無生命物質的某些性質是可信賴並可預測的：例如堅硬的物體趨向掉落，但是火和水蒸氣趨向上升，還有天體物體趨於繞著地球運動。 但是生命體不一樣：很多動物雖然會往下掉，但牠們也會跑，植物會向上生長，而鳥類甚至會沿著地球表面飛行。 是什麼讓他們和地球上其他東西這麼不同？ 古希臘思想家蘇格拉底提出了一個解答，根據他的學生柏拉圖的記錄：「究竟是什麼，只要放進了身體，就有了生命？——是靈魂。」 亞里斯多德同意蘇格拉底所說的，生命體擁有靈魂。但是他主張靈魂有不同的階級。最低階級的，居住在植物裡，讓它們可以生長和獲得養分。動物的靈魂較高一個等級，讓寄主能產生感覺和動作，但是只有人類的靈魂賦予理性和智能。 中國古代也有類似的信仰，認為生命體藉由一種無形的生命力（稱為「氣」）在他們體內流動，而擁有生命。靈魂的概念此後便與世上所有主要宗教結合，但是它的本質，以及它與身體的關係仍然是個謎。 另外一個謎團是，人必定會死亡。 一般都相信靈魂是不朽的，但為什麼生命卻是短暫的？ 大多數文化提出的答案都是，當驅動生命的靈魂離開身體，生命體就會死亡。 在1907 年，美國物理家鄧肯．麥克杜克爾（Duncan MacDougall）宣稱能夠測量到靈魂，方法是透過替垂死的病人分別在生前和死亡的瞬間秤重。這實驗讓他得出結論，靈魂的重量約21克。 但是為什麼靈魂在待了70 年之後一定要離開身體，仍然是個謎。 靈魂的概念，雖然不再是現代科學研究的範疇，不過它至少讓無生命的部分，從生命的研究中分離出來，因此科學家可以探索無生命物體運動的成因而不會受到哲學和神學的妨礙，因為神學和哲學一直都讓所有研究生命體的人痛苦不堪。運動學的歷史很長、很複雜也很吸引人，但是在這一章我們只會簡單地介紹。 我們已經提到亞里斯多德的觀點認為，物體趨向往地球的方向運動，或是遠離地球，或者繞著地球。所以他認為這些運動是自然的運動。他也理解到，堅固的物體可以被推、拉，或是投擲，這些運動他稱為「激烈的」，而且認為它會因另一種物體（例如投擲東西的人）的某種力量而發生。 但又是什麼造成投擲的動作——或是鳥類的飛行呢？這些運動很明顯沒有外來因素。亞里斯多德主張，和無生物不同的是，生物能夠自發產生運動，而這個能力源自生物的靈魂。 亞里斯多德對於運動來源的觀點，在中世紀以前占有主導的地位；但後來有件不尋常的事發生了，科學家（當時他們都自稱為自然哲學家）開始用邏輯和數學的語言，來描述無生命物體運動的理論。 若要探究到底是誰使人類的思想發生這麼不可思議又有用的轉變，中世紀的阿拉伯和波斯的學者，例如海什木（Alhazen）和伊本．西那（Avcicenna），當然占有一定的地位，而後由出現在歐洲的學術性機構，像是巴黎大學和牛津大學接棒。 不過用這種方式描述這個世界的第一顆碩大果實，大概是義大利帕多瓦大學的伽利略，他用數學公式，化約了運動的定律。 而在他過世那一年（1642年），牛頓在英格蘭的林肯郡出生，並且接著提出了無懈可擊的數學法則，來描述作用力如何改變無生命物體的運動，這套理論就是我們現在所說的牛頓力學。 牛頓所說的力，一開始是非常神祕的想法，但是歷經幾世紀，它們逐漸被認定為「能量」的概念。一般認為，運動中的物體擁有動能，當它們碰到靜止的物體時，可將動能傳遞過去，並使靜止的物體運動。而且力也可以在物體之間「遠距」傳遞：例如地球的重力把牛頓的蘋果拉到地上，或是磁力讓羅盤的指針偏轉。 科學重大的發展始於伽利略和牛頓，在十八世紀加快腳步，並且在接近十九世紀時，所謂的「古典物理學」的基本架構，已經相當完整地建立起來。 一直到現在，我們已經知道其他形式的能量（比如熱和光），也可以和分子的組成物、原子，以及分子有強烈的交互作用。並使得它們越來越熱、射出光，或是改變顏色。一般認定，物體是由粒子組成，而它們的運動受到重力和電磁力所控制。 所以物質的世界，至少其中無生命的部分，分成兩個不同的實體：可見物質（由粒子所組成）和作用在它們之間所看不見的力。我們對於物體之間力的運作理解還很貧乏，不是用能量的波動形式在空間中的傳遞，就是利用作用力場的概念。 那麼，受生命力驅動的有機生命體呢？它是由什麼組成，又是如何運動？ ※力學的勝出 所有生命體是由某種超自然的物質或本體驅動生命，這個古老的想法，至少替何以生命和無生命物質明顯不一樣，提供了某種解釋。 生命很獨特，因為它的運動是由超自然的靈魂所產生，而不是任何一種自然界的力。 但是這始終不是一個令人滿意的答案——這就像在探討太陽、月亮、星星的運動時，宣稱它們是被天使所推動的一樣。 事實上，當靈魂（以及天使）的自然性質仍完全是個謎時，這意味著還沒有任何真正的解釋。 十七世紀，法國哲學家笛卡兒提出另一種基本的觀點。 他對於當時供歐洲皇室娛樂的機械鐘、玩具和機械玩偶印象深刻，並且啟發他提出一個革命性的主張，認為植物和動物的身體，包括人類，僅僅是由一般物質所組成的精巧機器，而它們的運動是由機械裝置像是幫浦、齒輪、活塞所產生的。 這些裝置中的力，和控制無生命物體運動的力是一樣的。笛卡兒排除了人類的心智是一種機械的觀點，將它保留給不朽的靈魂；但是他的哲學至少試圖提供一個科學的架構，並且依照那些描述無生命物體的物理定律來描述生命。 與牛頓爵士同時代的醫師威廉．哈維（William Harvey），延續了這機械性的生物方法，並發現了心臟就像是機械的幫浦。 一個世紀後，法國化學家安東萬．拉瓦節（Antoine Lavoisier）證實了，豚鼠的呼吸燃燒了氧氣並產生二氧化碳，就像是火提供了蒸汽引擎推動的力。 他於是下了一個結論「呼吸是一種非常緩慢的燃燒現象，跟煤的燃燒十分相似。」就像笛卡兒可能已經預測過的，看起來動物和推動歐洲工業革命的蒸汽火車頭，並沒有很大的不同。 但是推動蒸汽火車的力量也可以推動生命嗎？要回答這個問題，我們需要了解蒸汽火車是如何爬上山丘。 ※生命是混沌？ 生命也是一樣的嗎？ 讓我們再回到撞球桌，一開始把花色球排成非常整齊的三角形。 這一次，我們加了許多其他的球（想像這是非常大的撞球桌），並且安排它們非常劇烈地撞擊三角形裡的花色球。同樣的，隨機撞擊運動導致接力棒的運動，而這些運動被利用來從事一些有用的工作。 但是這次我們不是讓它去驅動一個玩具火車爬上山丘，而是設計了一個非常聰明的裝置。這個由撞球之間的混亂撞擊所驅動的聰明裝置會做一件相當特別的事：它會在混亂的狀態中去維持花色球一開始所排列的三角形區域。 每次只要有一個花色球被隨機的球撞擊而離開三角形，某種感應裝置會偵測到這個事件，並指示機械手臂把脫離三角形的球，從還在持續隨機撞擊的球當中取出，並放回三角形中——可能是填滿其中一個空隙。 希望你已經發現，這個系統使用的是所有隨機分子碰撞而產生的某種能量，去讓內部某一部分維持非常有秩序的狀態。 在熱力學中，熵（entropy）是用來描述缺少秩序的狀態，所以一般認為高度有秩序的狀態擁有較少的熵。我們的撞球桌可說是從高熵（混亂）的撞球碰撞獲得能量，來維持它其中的部分（位於中間三角形區域的球）的低熵（有秩序）狀態。 不用太在意我們如何設計這樣一個巧妙的裝置：重點是我們這個熵所驅動的撞球桌正在做某件非常有趣的事。在這個包含球、桌子、接力棒、偵測球的裝置和移動式手臂的系統中，單靠混亂的球體運動便讓它內部的子系統保持在有秩序的狀態。 […]
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