哥斯拉怪兽真的存在吗？生物的大小取决于特定的数学关系

2018 年 5 月 4 日 中科院物理所 黄逸文

来源：“中国科普博览”公众号（ID：kepubolan）

作者：黄逸文

电影《头号玩家》自登录内地影院以来，随即风靡大江南北，以摧枯拉朽之势横扫影坛。带给我们无数惊喜和感动的好莱坞大导斯皮尔伯格给我们献上了最新的科幻电影大餐。影片中的大Boss变身机械哥斯拉，和维护心中信念的正义人群展开了如梦如幻的殊死搏斗。哥斯拉，无疑被斯导认为是能带来终极灾难的生物。人们在体会巨大的观影震撼之后，不由得心中窃喜，暗自庆幸没有出生在哥斯拉横行的时代。

《头号玩家》海报（图片来源于网络）

哥斯拉是传说中的古代巨型怪兽，其原型最早可以追溯至1954年由日本东宝株式会社制作的电影。在该片中，哥斯拉诞生于被辐射污染的海域，是一只巨型恐龙的变异体。此后，它逐渐成为电影、动画和漫画的怪兽原型。哥斯拉的每一次出现，都伴随着人类的巨大灾难，其暴虐、狂躁、野蛮、霸道的外表形象给观影者带来巨大的心理恐惧和冲击。自其诞生以来，哥斯拉已经成为灾难的代名词。

在历史的长河中，哥斯拉真的存在过吗？或者说，作为一种生命体，它的极限究竟在哪里？是否在地球的某个角落、宇宙的某片区域，会有人们无法想象的生命，并以无法想象的巨大形式存在呢？

电影《哥斯拉》片段（图片来源于网络）

答案可能会让我们失望。生命也许有变化无穷的外表，也有色彩斑斓的形式，但却受到物理世界的制约，并不能无限长大、膨胀到随心所欲的地步。宇宙的种种规律，已经为生命体的大小划定了一条无法逾越的边界。事实上，生物的尺度严格受制于特定的数学关系。

地球生物长成上古怪兽？动物没戏，植物有可能

考古学家发现，曾经在地球上最大的动物是恐龙。生活在2亿年前的巨型生物一度成为这个星球的霸主。根据出土的恐龙化石，人们发现的最大恐龙是易碎双腔龙，最长可达80米，体重220吨，身高在14米到16米之间。很明显，这样的个头与哥斯拉比起来就是蚂蚁和人的差距。为什么地球上的陆生生命远远无法达到哥斯拉级别呢？

易碎双腔龙（图片来源于网络）

原来，生命体每长高一倍，其身体的触地面积会增长4倍，它的体积会增长9倍。简单来说，如果一个生命体无限扩张自己的体型，最终的结果就会导致它无法支撑自己庞大的身躯而倒下。这就是自然界为生物划定的生存区域。也正因为如此，哥斯拉会因为过于庞大的身体而无法站立，最终无法呈现影片中巨大威猛的形象。

那么，水生动物的情况又如何呢？到目前为止，人们发现的最大的海洋生物是蓝鲸，其体长33米，体重181吨。由于浮力的作用，水生动物无需考虑站立的关系。然而，自然界却在其它地方为海洋里的生物套上了枷锁。众所周知，生命由细胞组成，细胞在新陈代谢中会产生热量。这些热量需要及时散发出去，才能维持体温的稳定。海洋生物往往是通过皮肤散热。

蓝鲸（图片来源于网络）

粗略地看，海洋生物的身长每增加一倍，细胞产生的热量会增加8倍，而通过皮肤散发出去的热量最多只能增加4倍。因此，即使浑身浸泡在海洋里，周围的水也能吸走体内散发的全部热量，过于庞大的身躯最终也会产生无法及时排出的热量而导致热损伤。因此出于保护自身内脏的目的，海洋的环境也无法支持过于巨型哥斯拉的存在。

总体来说，动物在现有的物理条件下无法长成上古怪兽的体型，只有植物才有这种可能。事实上，地球上唯一存在的超巨型生命体就是植物。位于美国红山国家公园内的雪曼将军树就是世界上最大的树，一般其高度超过80米。

美国红山国家公园内的雪曼将军树（图片来源于网络）

地球上的植物也受到两种条件的制约，一是所处自然环境的营养物质的丰盈度，一是所在地区的阳光充沛度。体型巨大的植物无法像动物一样行走，其根本的原因也在于它们利用自然界资源的效率过低。一般的植物是通过光合作用和根部从土壤里吸取营养物质维持生命的新陈代谢。遗憾的是，这部分能量的获取根本不足以支持它来回走动。因此，为了维持巨大的体型，植物最稳妥的方式就是找到属于自己的土壤，然后安然地享受一方天地。

宇宙是“哥斯拉”的栖息地吗？

这样看来，地球上不具备哥斯拉生存的条件。如果我们把目光投射到广袤浩瀚的宇宙呢？是否在宇宙的某个黑暗的深处，存在着超乎想象的巨型怪物呢？虽然目前人们无法观测到这样的生命奇迹，但是人们有理由相信，不会存在天文级别的生命怪兽，比如银河系一样大的生物。

我们所生活的宇宙，没有任何物质的运动速度能够超越光速。如果在某个黑暗角落里，真的存在着银河系一样的怪兽，它就会面临巨大的危险。

宇宙中存在着银河系一样的怪兽吗？（图片来源于网络）

生命体的构成是为了更有效地利用资源，作为一个整体能对外界的危险做出迅速、及时的反馈。以人为例，神经传导速度不会超过每秒200米，信息从大脑中枢传递到身体各处只需要毫秒级的时间。因此当人的身体和四肢受到外界刺激或者伤害时，大脑能够及时做出反应，让人远离险境。如果一个生命体的某部位遭受伤害，信息即使以光速传播，到达一个中心指令系统也需要若干年的时间，那么等到整体做出反应时，局部的身体可能已经不复存在。因此，一个拥有天文尺度的怪兽在这个宇宙中也无法安全地生存下去。

那么，巨型怪兽是否会从另外一个维度的空间穿越过来呢？类似科幻小说里的降维攻击等等超现实手段是否会诞生人们无法想象的存在呢？遗憾的是，如果一个高维空间遵循着基本的物理定律，比如牛顿三大定律以及能量守恒定律，那么可以在理论上证明，这个空间里几乎不会有生命的存在。也因此，存在于许多科幻小说里的高维生物，从科学的底层逻辑上来看，也有着先天的硬伤。

事实上，在一个超过三维的高维宇宙里，其行星的运动轨道将是极不稳定的系统。任何一点小小的扰动都会导致灾难性的后果。假如在某高维宇宙里存在着三颗彼此吸引的星球，类似地球、月亮和太阳彼此环绕运行，那么太阳的任何一点风吹草动都可能导致三颗行星的运动轨道崩塌，产生类似蝴蝶效应一样的灾难性后果。最后的结果就是，月亮可能会不顾一切地撞上地球，地球也会不可避免地扑向太阳。

很难想象，在一个没有稳定行星系统的高维宇宙里能存在着极度稳定的生命形态。因此，高维宇宙只能以极度的微观尺寸存在。一个激进的例子就是，当代物理学前沿分支弦论所预言的六维卡拉比-丘成桐空间，它就蜷缩在四维宇宙时空普朗克尺度以下的空间里。

钢铁哥斯拉怪兽？

那么，是否会存在重金属，比如钢铁组成的哥斯拉呢？如果一个生命体拥有钢筋铁骨，那么它的体型无疑会成长到影片中所塑造的形象，甚至更为惊悚。迄今为止，科学家们所发现的生命体都是由有机大分子组成。而只有化学性质极其稳定的碳和水才能提供组成有机大分子的环境和材料。这就基本杜绝了钢铁哥斯拉怪兽的存在性。

因此，哥斯拉从来也不曾生活在我们熟悉的这片土地上，它的存在完全是基于人们对未知事物的恐惧和猜疑，激发人们对生命和灾难的敬畏。人们确实应该庆幸，这样的怪兽终究还是只能存在于大脑的幻想之中，世界终究还是对人们充满了善意的保护。

出品：科普中国

制作：中国科学院数学与系统科学研究院黄逸文

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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