為什么說物理學(xué)不是一門學(xué)科？

菲利普·鮑爾

你聽說過那個關(guān)于一位生物學(xué)家、一位物理學(xué)家和一位數(shù)學(xué)家的故事嗎？他們坐在一個咖啡館里，看著人們從街對面的一棟房子進進出出。有兩個人進入那棟房子，過了一段時間后，從里面出來了三個人。物理學(xué)家說：“測量不準(zhǔn)確?！鄙飳W(xué)家說：“他們生了一個?！睌?shù)學(xué)家說：“如果現(xiàn)在正好有一個人進入這棟房子，那么這棟房子又是空的了?！?/p>

好笑嗎？不好笑嗎？你可以找到大量類似的笑話（很多都涉及“球形奶牛”的概念），但是沒有一個能夠讓我笑的。（“球形奶?！钡钠鹪词沁@樣的：一位農(nóng)場主雇用了一幫數(shù)學(xué)家?guī)退岣吲Ｄ痰漠a(chǎn)量。最終，數(shù)學(xué)家給農(nóng)夫提交了報告，開頭第一句便是：“假設(shè)有一頭球形的奶?！边@個笑話揭示了人們對數(shù)學(xué)模型的誤解。盡管，這并不是他們的本意。）這些笑話旨在告訴我們，這些學(xué)科觀察世界的方式與我們是截然不同的，也許是完全不相容的。

這是有些道理的。例如，許多物理學(xué)家會告訴你這樣的故事：對于物理學(xué)家在生物學(xué)領(lǐng)域的努力，生物學(xué)家是如何不屑一顧的，他們會認(rèn)為，物理學(xué)家對生物學(xué)完全摸不著邊際，并且充滿了誤解。事情還不僅僅是物理學(xué)家被認(rèn)為做錯了事情這么簡單。通常生物學(xué)家的觀點是，在生物學(xué)中根本沒有物理學(xué)的地盤。

但是，此類反對意見（和笑話）將學(xué)術(shù)標(biāo)簽與科學(xué)混為一談。對物理學(xué)的正確理解，不是由學(xué)校教授的一個學(xué)科和大學(xué)的一個系，它是了解發(fā)生在這個世界上的所有過程的一種特定的方式。當(dāng)亞里士多德在公元前4世紀(jì)寫下《物理學(xué)》一書時，他不是在描述一個學(xué)科，而是在描述一種哲學(xué)方式：思考自然的一種方式。你或許會認(rèn)為這是“物理學(xué)”一詞古老的用法，但它不是。當(dāng)物理學(xué)家今天說到“物理”的問題時（就如同他們經(jīng)常做的一樣），他們要表達(dá)的意思，與亞里士多德的意思是相近的：不是赤裸裸的數(shù)學(xué)形式主義，也不是純粹的敘述，而是從基本原理來推導(dǎo)過程的一種方式。

這就是為什么如同有化學(xué)的物理學(xué)、地質(zhì)的物理學(xué)以及社會的物理學(xué)一樣，現(xiàn)在也有了生物的物理學(xué)。但，并不一定非得是專業(yè)意義上的“物理學(xué)家”才能有所發(fā)現(xiàn)。

? ? 英國數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈提出了一種在化學(xué)和生物學(xué)系統(tǒng)中進行圖形化的通用方法。使用“催化劑”和“抑制劑”既可以制造出左上方的點，也可以制造出右上方的條紋。有一些樣式與在自然界中發(fā)現(xiàn)的樣式有著驚人的相似之處，比如斑馬。上圖：由法國波爾多大學(xué)的雅克·保阿索那德和帕特里克·德·凱普提供的圖靈斑圖;下圖：斑馬。

在20世紀(jì)中期，物理學(xué)和生物學(xué)之間要比今天更為互通聲氣。一些2 0世紀(jì)的分子生物學(xué)先驅(qū)，包括馬克斯·德爾布呂克、西摩·本澤爾，以及弗朗西斯·克里克，都是被作為物理學(xué)家來培養(yǎng)的。而當(dāng)詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克于1953年發(fā)現(xiàn)DNA中的遺傳編碼，人們也因此開始用“信息”的觀點看待基因和進化時，人們通常將遺傳編碼的發(fā)現(xiàn)歸功于物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤于1944年出版的《生命是什么？》一書（當(dāng)然，他的一些想法已經(jīng)被生物學(xué)家赫爾曼·米勒早預(yù)料到了）。

在20世紀(jì)中葉，物理學(xué)和生物學(xué)的整合深受當(dāng)時許多著名生物學(xué)家的歡迎，包括康拉德·哈爾·沃丁頓、J.B.S·霍爾丹、李約瑟，他們正是劍橋大學(xué)理論生物學(xué)俱樂部的發(fā)起人。和人們了解DNA“數(shù)字代碼”的意義幾乎在同一時間，應(yīng)用數(shù)學(xué)家諾伯特· 維納在勾勒其控制論的理論，該理論被認(rèn)為可用來解釋從機器到細(xì)胞一類的復(fù)雜系統(tǒng)是如何由反饋網(wǎng)絡(luò)來控制和調(diào)節(jié)的。1955年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫在《科學(xué)美國人》上發(fā)表了具有先見之明的文章，名為《活細(xì)胞的信息傳遞和控制論》，這給生物學(xué)家雅克·莫諾和弗朗索瓦·雅各布提供了一種語言，使他們

能夠在20世紀(jì)60年代明確地描述出他們早期提出的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)理論。

各布提供了一種語言，使他們能夠在20世紀(jì)60年代明確地描述出他們早期提出的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)理論。

造成這種割裂的關(guān)鍵原因，在恩斯特·邁爾于2004年出版的《是什么讓生物學(xué)如此獨特》中進行了總結(jié)。邁爾是最杰出的現(xiàn)代進化生物學(xué)家之一，僅僅是這個書名，就反映了一個普遍流行的觀念，那就是生命科學(xué)例外論。在邁爾看來，對物理學(xué)所能提供的一般理論來說，生物學(xué)太混亂、太復(fù)雜，所以這些理論沒有很大的幫助——魔鬼總是在細(xì)節(jié)中。

? ? 艾倫·麥席森·圖靈是英國的數(shù)字家、邏輯學(xué)家，被稱為計算機之父、人工智能之父。

科學(xué)思想在一個領(lǐng)域的發(fā)展，最終可能被證明與另一個領(lǐng)域相關(guān)。

邁爾做出了可能是任何生物學(xué)家都試圖做出的、最協(xié)調(diào)一致的嘗試，為他的學(xué)科劃出明確的學(xué)科界限，巧妙地將其與其他科學(xué)領(lǐng)域隔離開來。在這一過程中，他向我們提供了他的這一努力之所以愚蠢的、最清晰的實證之一。

他確定了4個物理學(xué)區(qū)別于生物學(xué)的基本特征：物理學(xué)是一種本質(zhì)主義理論（將世界劃分為細(xì)致入微的和一成不變的類別，如電子和質(zhì)子）;物理學(xué)是一種確定性理論（這個必然導(dǎo)致那個）;物理學(xué)是一種簡化理論（通過減少一個系統(tǒng)的組成部分來理解這個系統(tǒng)）;物理學(xué)總是假定普遍的自然法則。而在生物學(xué)中，這些都被機遇、隨機性和歷史偶然性在暗地里給破壞掉了。只要你對量子理論、混沌學(xué)以及它們揭示的復(fù)雜性略知一二，你就會知道，邁爾對物理學(xué)的這一特性的描述是有著致命缺陷的。

不過，在邁爾辯稱生物學(xué)真正與眾不同之處時，與目的有關(guān)：生物學(xué)是盲目變異和進化過程中的選擇，巧奪天工的設(shè)計。粒子在隨機漫步時互相碰撞，不一定是為了非要做出點什么事情來。而基因網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞的復(fù)雜架構(gòu)，是由生存的迫切需要塑造出來的：它們擁有一個目標(biāo)。而物理學(xué)不用處理目標(biāo)，對嗎？就像紐約城市大學(xué)的馬西莫·匹格里奇，一位由進化生物學(xué)家轉(zhuǎn)行而來的哲學(xué)家，最近所說的：“追問一個電子、一個分子、一顆行星或者一座山，它們的目的或目標(biāo)是什么，沒有任何意義。”

目的或目的論，在生物學(xué)中也是一個難以言表的詞：它們很輕易地就為進化的“盲人鐘表匠”提出一個命運注定論的目標(biāo)，并最終導(dǎo)致自己對創(chuàng)世論（譯者注：即相信萬物皆由上帝一次造成）的濫用。

事實上，物理學(xué)家并沒有被這個詞嚇倒。當(dāng)諾伯特·維納在1943年撰寫論文《行為、目的和目的論》時，受到了蓄意挑釁。2年后，維納與匈牙利數(shù)學(xué)物理學(xué)家約翰·馮·諾依曼形成了他們的目的社會學(xué)，宣稱其使命在于讓人們理解“在人類和動物的行為中，是如何意識到目的的”。馮·諾依曼對“復(fù)制”的持久興趣（對進化“生物功能”來說，“復(fù)制”是一個最基本的要素），為其細(xì)胞自動機理論奠定了基礎(chǔ)，該理論現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于研究復(fù)雜的自適應(yīng)過程，包括達(dá)爾文的進化論。

表面上的目的，起因于對環(huán)境的達(dá)爾文適應(yīng)。但是，是否這樣就能由達(dá)爾文的隨機突變和自然選擇來完美地講明白，而不需要訴諸任何適應(yīng)方面的“物理學(xué)”知識呢？

事實并非如此。首先，達(dá)爾文理論的這兩個組成部分——可復(fù)制生命體之間的隨機可遺傳變異和來自環(huán)境的選擇壓力——必然產(chǎn)生適應(yīng)、多樣性和創(chuàng)新的觀點，并不是那么清楚明了的。說起來，這取決于復(fù)制的速度、復(fù)制過程的保真度、系統(tǒng)中隨機噪聲的水平、選擇壓力的強度、遺傳信息以及遺傳信息管理的特征之間的關(guān)系（基因型和表現(xiàn)型），等等。進化生物學(xué)家有用來研究這些事情的數(shù)學(xué)模型，但是在沒有一個與之相關(guān)的總體框架的情況下，這些計算能告訴你的東西很少。

這個總體的框架就是進化物理學(xué)。說起來，可以用術(shù)語、變量閾值來對其進行勾畫。當(dāng)變量在閾值以上時，一種新的全球性行為出現(xiàn)了：物理學(xué)家稱之為相圖。理論化學(xué)家彼得·舒斯特和他的合作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基因復(fù)制錯誤率的一個閾值低于該閾值時，正在復(fù)制的基因組所包含的信息保持穩(wěn)定。換句話說，超過這個錯誤率，就沒有可識別的物種了，因為就其本身而論，它們的遺傳同一性“融化”了。舒斯特的同事、諾貝爾獎得主曼弗雷德·艾根則辯稱這一轉(zhuǎn)變是一種相變，與物理學(xué)家傳統(tǒng)上研究的融化現(xiàn)象完全類似。

與此同時，進化生物學(xué)家安德里亞斯·瓦格納已經(jīng)使用計算機模型來顯示達(dá)爾文進化論在本質(zhì)上革新，產(chǎn)生新形式和新結(jié)構(gòu)的能力。在此，“物理學(xué)”又支撐起了進化多樣性。

而麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家杰里米·英格蘭則辯稱，適應(yīng)本身不一定非要依賴于達(dá)爾文的自然選擇和遺傳繼承學(xué)說，而是有可能更深地埋藏在復(fù)雜系統(tǒng)的熱力學(xué)中。恰當(dāng)和適應(yīng)的觀念一直是出了名的難以搞定，它們很容易就能將聽上去合情合理的循環(huán)結(jié)束掉。但是英格蘭說，在最基本的形式上，它們可能會被認(rèn)為是一個特定系統(tǒng)具有的能力，可以抑制能量的大幅波動和消散。

“我們開始的假設(shè)是普通物理學(xué)的那種假設(shè)，而這些假設(shè)讓我們傾向于主張那種非平衡演化具有的一般特征。而在非平衡演化中，達(dá)爾文的故事就變成了一個特例，如果在你的系統(tǒng)中包含自我復(fù)制的東西， 你才能獲得這一特例。”英格蘭說，“于是，這個概念就變成了熱波動的物體會自發(fā)地打造其形狀，以在其所處的環(huán)境中更好地從外界進行吸收。這一發(fā)現(xiàn)的激動人心之處在于，當(dāng)我們給我們看到的某種看上去‘適應(yīng)了的結(jié)構(gòu)的起源一個物理賬戶時，它們不一定必須要有一般生物意義上的父母?！币恍┭芯空咭呀?jīng)提出，英格蘭的觀點為達(dá)爾文的學(xué)說提供了物理學(xué)基礎(chǔ)。

請注意，我們在此真的沒有說該生物學(xué)現(xiàn)象中的物理學(xué)來自何方——它是由化學(xué)家和生物學(xué)家提出的可能性，這與由物理學(xué)家提出的可能性是一樣的。從學(xué)科的角度來看，這里根本沒有任何將這些基本思想和理論稱之為物理學(xué)問題的學(xué)術(shù)沙文主義。我們需要做的，只是將“物理學(xué)”一詞從與它如影隨形的分門別類的定義中，以及學(xué)術(shù)地盤之爭中拯救出來。

你可以把這些入侵生物學(xué)的、在物理學(xué)中更為人們熟悉的觀點，看作科學(xué)思想在一個領(lǐng)域的發(fā)展最終被證明與另一個領(lǐng)域相關(guān)的又一個例子。但是這個問題要比上面所說的更深入一些，我們需要超越試圖劃分和保衛(wèi)學(xué)科疆界的企圖。

物理學(xué)家贊美同行能夠看出“問題中的物理學(xué)”的能力的習(xí)慣，可能聽起來讓人覺得怪怪的。但是除了思考“問題中的物理學(xué)”，物理學(xué)家還能做些什么呢？其中存在一個誤解。這些概念往往是一些非常一般的概念，可以用非數(shù)學(xué)語言，甚至是口語化的語言簡明地表達(dá)出來。在這個意義上，物理學(xué)既不是一套固定的程序，也沒有落到某一特定類別的主題上;它是一種思考世界的方式，是一種組織因果關(guān)系的方案。

對于生物學(xué)中的物理學(xué)將由什么組成，我們并不是十分了解。但是沒有了它，我們將無法理解生命。

這種想法可以從任何科學(xué)家的頭腦中冒出來，無論他或她身負(fù)何種學(xué)術(shù)標(biāo)簽。這也正是當(dāng)他們看到反饋過程對基因調(diào)控至為關(guān)鍵時，雅各布和莫諾向人們展示的，他們還因此打造了人機關(guān)系學(xué)與控制理論之間的聯(lián)系。這正是20世紀(jì)70年代發(fā)育生物學(xué)家漢斯·邁因哈特及其同事阿爾佛雷德·基爾在解開圖靈結(jié)構(gòu)的物理學(xué)時所做的。這些自發(fā)的模式出現(xiàn)在化學(xué)物擴散的數(shù)學(xué)模型中，是由數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈在1952年設(shè)計出來的，用以解釋形成的世代和胚胎中的順序。邁因哈特和基爾識別出了圖靈數(shù)學(xué)中潛藏的物理學(xué)：一種自發(fā)產(chǎn)生的“激活劑”和一種抑制其行為的成分之間的相互作用。

一旦我們邁過了物理學(xué)的門類定義，圍繞在其他學(xué)科周圍的壁壘都將變得更為松懈，從而使我們能夠得到積極的結(jié)果。邁爾認(rèn)為，生物媒介是以一種無生命物體不具有的方式，由目標(biāo)驅(qū)動的。他的這一論點是與生物信息的原始密碼緊密綁定的，源于“一切都始于DNA”的觀點。就像邁爾所說，“在生命的世界中，沒有一個單一的現(xiàn)象，或者一個單一的過程，不是由基因組中包含的遺傳程序控制的”。

這種觀點現(xiàn)在有時被稱為“DNA沙文主義”，導(dǎo)致邁爾錯誤地將這種還原論和決定論歸因于物理學(xué)，并且認(rèn)為生物學(xué)中的物理學(xué)已經(jīng)被掏空。因為，即使我們認(rèn)識到DNA和基因的確是生命進化和生存的詳細(xì)細(xì)節(jié)的核心，也需要一個更廣泛的圖，在這個圖中，維護生命的信息并不僅僅來自一個DNA數(shù)據(jù)銀行。關(guān)鍵問題之一是因果關(guān)系：信息流向什么方向?，F(xiàn)在，量化這些因果關(guān)系問題正在成為可能。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的神經(jīng)學(xué)家朱利奧·托諾尼和他的同事設(shè)計了一個用于有著相互作用的組件的復(fù)雜系統(tǒng)的通用模型（這個系統(tǒng)可以是神經(jīng)元，也可以是基因），他們發(fā)現(xiàn)，有時系統(tǒng)的行為并不是由一種自下而上的方式引起的，而是由各組件之間更高水平的組織方式引起的。

在最近進行的一次酵母基因網(wǎng)絡(luò)信息流分析中，亞利桑那州立大學(xué)的薩拉·沃克、保羅·戴維斯以及他們的同事證實，“向下的”因果關(guān)系可能真的參與了這一案例。他們認(rèn)為，自上而下的因果關(guān)系可能是生命物理學(xué)的一個特性，而且可能在進化過程中的某些重大變化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，比如基因序列的出現(xiàn)、復(fù)雜分化細(xì)胞（真核生物）的進化、多細(xì)胞生物的發(fā)展，甚至是生命起源本身。他們認(rèn)為，在這些關(guān)鍵點上，信息流可能轉(zhuǎn)換方向，由此在組織的更高水平上發(fā)生的過程，影響和改變了那些在較低的水平上發(fā)生的過程——不是一切都是由基因水平上的突變驅(qū)動的。

瓦格納、舒斯特和艾根的工作表明，DNA和基因網(wǎng)絡(luò)與生物體的進化和維護是相互連接的，而對于這種連接，只有當(dāng)我們更好地掌握了信息本身的物理特性時，才能充分理解。

一個恰當(dāng)?shù)睦泳褪牵锵到y(tǒng)在操作中經(jīng)常接近于物理學(xué)家所稱的臨界相變或臨界點：這是一種在兩種組織模式之間切換的邊緣，保持平衡的狀態(tài)，兩種組織模式中有一種是有序的，另一種則是無序的。臨界點，在諸如磁性、固液混合物、超流體等物理系統(tǒng)中，是眾所周知的。2010年，美國普林斯頓大學(xué)致力生物問題研究的物理學(xué)家威廉·彼亞雷克及其同事蒂埃里·莫拉提出，各種各樣的生物系統(tǒng)，從成群結(jié)隊飛行的鳥兒，到大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以及蛋白質(zhì)中氨基酸序列的組織，都可以接近臨界狀態(tài)。

彼亞雷克和莫拉說，通過使其接近臨界點，一個系統(tǒng)將發(fā)生大的波動，從而使它的組分能夠達(dá)成各種不同立體基陣。因此，莫拉說：“臨界點可能為處理復(fù)雜和不可預(yù)測的環(huán)境帶來必要的靈活性。”更重要的是，近臨界狀態(tài)對環(huán)境中的擾動極為敏感，而這些擾動可將漣漪效應(yīng)傳遍整個系統(tǒng)。這種現(xiàn)象可以幫助一個生物系統(tǒng)非常迅速地適應(yīng)變化：比方說，一群飛鳥或者一群魚可以對捕食者的到來做出非?？焖俚姆磻?yīng)。

臨界狀態(tài)還可以提供一種信息收集機制。意大利帕多瓦大學(xué)的物理學(xué)家阿摩司·馬利坦及其合作者已經(jīng)表明，一種“認(rèn)知主體”集合的臨界狀態(tài)——可以是生物個體或者是神經(jīng)元——能夠使系統(tǒng)“意識”到，在它周圍正在發(fā)生著什么：將其所處的環(huán)境和情況編碼出一份“內(nèi)部地圖”，在臨界點保持平衡，可為系統(tǒng)提供最佳的靈活性和進化優(yōu)勢，以應(yīng)對和適應(yīng)高度可變的復(fù)雜環(huán)境。有越來越多的跡象顯示，大腦、基因網(wǎng)絡(luò)以及獸群的確是以這種方式組織的。臨界狀態(tài)可能無處不在。

這樣的例子給了我們信心，使我們相信生物學(xué)中是有物理學(xué)的。對于“生物學(xué)就是那么亂糟糟的一團”的常見說法，彼亞雷克不能容忍。他說：“這里可能會有一些不能削減的凌亂，我們永遠(yuǎn)也無法了解。但是我相信，總會有一種生物系統(tǒng)的理論物理學(xué)可以達(dá)到在物理學(xué)的其他領(lǐng)域已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測能力水平。”沒有它，生物學(xué)就有變成純粹的奇聞和意外事件的風(fēng)險。我們可以相當(dāng)確定的一件事是，生物學(xué)不是這樣的，否則它根本就無法運行。

我們還不知道生物學(xué)的物理學(xué)究竟包括些什么，但是，沒有了它，我們將無法理解生命。關(guān)于基因網(wǎng)絡(luò)如何在面對變化的環(huán)境時既能產(chǎn)生穩(wěn)健性，又能產(chǎn)生適應(yīng)性，它肯定有話要說，對不對？舉個例子來說，一個有缺陷的基因不一定是致命的，細(xì)胞也可以在不改變它們基因的情況下以穩(wěn)定、可靠的方式改變它們的特征。生物學(xué)的物理學(xué)應(yīng)該能夠揭示進化本身，讓我們了解它為什么既是可能的，又是具有創(chuàng)造性的。

說物理學(xué)沒有疆界，不等于說物理學(xué)家可以解決一切問題。他們也是在一個學(xué)科內(nèi)被培養(yǎng)大的，和我們一樣，當(dāng)他們走出學(xué)科的藩籬時，也有容易栽跟頭的傾向。這個問題不是誰“把持”特定科學(xué)問題的問題，而是關(guān)于如何開發(fā)有用的工具以思考事物是如何運行的——這正是亞里士多德在2000多年以前試圖做的事情。物理學(xué)不只是發(fā)生在物理系的事。這個世界真的不關(guān)心什么

學(xué)術(shù)標(biāo)簽，而且如果我們想要真正理解這個世界，那么也不應(yīng)該去關(guān)注什么學(xué)術(shù)標(biāo)簽。