上篇 自然通信

大约在150亿年前，一个体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的小点（奇点）突然发生了大爆炸。于是，空间和时间便从量子真空中诞生了。这时，时空中充满了与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。

在大爆炸后的10–43秒之前，宇宙的密度约为1094克/厘米3，超过质子密度的1078倍。此时，万有引力、强相互作用力、弱相互作用力和电磁力这4种力都还混为一体，无法区分彼此。

大爆炸后10–43秒至10–35秒期间，温度达到1032摄氏度，宇宙从量子涨落背景中出现。此时，宇宙已冷却到引力可分离并独立存在的状态，而且传递引力作用的引力子已经存在。不过，除引力之外，此时宇宙中的其他3种力（强相互作用力、弱相互作用力和电磁力）仍混为一体。

大爆炸后10–35秒至10–12秒期间，宇宙的温度约为1027摄氏度，这时引力已完成分离，夸克、玻色子、轻子等粒子已形成，宇宙已冷却到强相互作用力可分离出来的状态，但弱相互作用力和电磁力仍统一于电弱相互作用力中。这时，宇宙还发生了持续时间为10–33秒的暴涨，时间和空间经历了100次加倍（即2100），得到的宇宙尺度是先前尺度的1030倍。在暴涨前，宇宙还处于光子的相互联系范围内；但暴涨停止时，今天人类所能在宇宙中探测到的东西都已在各自的区域内稳定下来了。

大爆炸后10–12秒至0.01秒期间，宇宙的温度约为1015摄氏度，质子、中子及其反粒子等都已形成，玻色子、中微子、电子、夸克及胶子等都已稳定。此时，宇宙变得足够冷，以至电弱相互作用力也分解为电磁力和弱相互作用力。至此，宇宙中的全部4种基本作用力均已出现。此后，轻子家族（电子、中微子及相应的反粒子）需要再等宇宙冷却10–4秒后才能从与其他粒子的平衡相中分离出来。其中，中微子一旦从物质中解耦，将自由穿越空间。

大爆炸后0.01秒至0.1秒期间，宇宙的温度约为1000亿摄氏度。此时，宇宙中以光子、电子、中微子为主，中子与质子数量之比高达十亿比一，热平衡态体系急剧膨胀，温度和密度不断下降和减小。

大爆炸后0.1秒至1秒期间，宇宙的温度约为300亿摄氏度，中子与质子数量之比迅速下降到0.61∶1。

大爆炸后1秒至10秒期间，宇宙的温度约为100亿摄氏度，中微子向外逃逸，出现了正负电子湮没反应。不过，此时核力尚不足以束缚中子和质子。

大爆炸后10秒至35分钟期间，宇宙的温度约为30亿摄氏度。此时，氢、氦等稳定原子核开始形成。特别是当宇宙冷却到10亿摄氏度以下时（大爆炸发生约100秒后），粒子转变就不可能再发生了。

大爆炸后35分钟至1万年期间，宇宙的温度约为3亿摄氏度，原初核合成过程停止，但还不能形成中性原子。

大爆炸后1万年至30万年期间，宇宙的温度约为10万摄氏度，宇宙进入物质期，即现在所说的“物质”开始出现。在宇宙形成的早期，光主宰着各种能量形式。但随着宇宙的膨胀，电磁辐射的波长被拉长，相应光子的能量也跟着减小。1万年后，物质密度追上并超过了辐射密度。从这时起，宇宙和它的动力学就开始由物质主导了。

大爆炸30万年后，宇宙的温度约为3000摄氏度，这时化学结合作用使中性原子形成，宇宙的主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至形成恒星和恒星系统。于是，我们今天能见到的宇宙形态就基本形成了，今天的主要物理定律也开始发挥作用了。

总之，量子真空在暴涨期达到全盛，此后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙，而且随着物质密度和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显（暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3左右），从而推动了宇宙加速膨胀。

此处为啥要用这么多笔墨来描述大爆炸的发生过程呢？主要原因有如下两个。

其一，从形式上看，宇宙大爆炸与本篇第2章中的生长通信过程几乎是一模一样的。其实，宇宙大爆炸并非许多人所想象的那种地雷式的一次性爆炸，而是一种并行式的连续爆炸。形象地说，大爆炸与婴儿的孕育过程很相似，最初的那个奇点相当于受精卵，它先是一分为二，变成两个拷贝。然后，每个拷贝又几乎同时发生爆炸，再一分为二，变成4个子拷贝。每个子拷贝再发生爆炸，还是一分为二，变成8个孙拷贝。孙拷贝接着再发生爆炸，如此循环往复。随着连环爆炸的不断进行，该“奇点”（受精卵）以指数速度迅速膨胀。经过短短的“十月怀胎”，该受精卵“爆炸”而形成的“宇宙”质量就增加了约百万亿倍，其体积也扩大了约1000万倍！当然，受精卵的这种“大爆炸”并不会永远全面持续下去，同时也不会全面停止，除非该个体的生命结束。实际上，某些拷贝在进行到某次“爆炸”后，将停止再分裂，并最终形成相应的人体器官。某些拷贝将终生不断进行新陈代谢，还有一些拷贝的“爆炸”过程会时断时续，至于在什么区域以及何时停止或持续“爆炸”，主要取决于DNA中包含的某种“开关”信息。

其二，宇宙大爆炸发生100多亿年后，即距今大约46亿年前，地球终于诞生了。不过，刚开始时，地球上的环境非常恶劣，生命不可能出现。直到约38亿年前，情况才相对好转，生命开始出现。此时，原始地球的大气中虽无氧气，但有很多二氧化碳，于是蓝藻通过光合作用吸入二氧化碳并释放氧气。这便是最早的光合放氧生物。蓝藻的繁殖方式是无性生殖，繁衍速度非常快，其光合作用所产生的氧气也越来越多，这就为随后产生更多的生物奠定了坚实的基础。于是，生物之间的自然通信就开始了。

本篇将重点介绍生物之间的自然通信发展史，特别是遗传信息发展史。当然，生物之间传输的信息绝不仅限于遗传信息。实际上，按薛定谔在《生命是什么》中的观点，任何生命的维持都离不开负熵。而按香农的观点，信息也是一种负熵。所以，信息在任何生物的生命过程中都扮演着不可替代的重要作用。比如，若生物不能获得食物信息，它就会被饿死；对采取有性繁殖的生物来说，若不能获得配偶信息，该物种就会因断后而灭绝等。而本篇中所谓的自然通信就是指无需人工干涉而实现的信息通信，这样的通信系统很多，甚至多得无法穷举。比如，对应于生物的任何一种知觉，就至少存在一类通信系统；对应于生命过程中的任何信息，就一定存在某种通信系统来发送和接收这些信息。

虽然本篇中介绍的许多重大事件的绝对时间很难说清，但它们的相对时间，特别是前后顺序还是可以根据逻辑推导出来的。特别需要指出的是，人类的“面对面对话”其实也是一种信息通信系统。严格说来，这还应该算作人工通信系统，因为语言是人造的而非自然的。但是，为了区别于通信领域习以为常的人工通信系统，我们仍把以对话为代表的、不需要体外设施配合的通信系统都放在本篇中进行介绍。