细菌都是太极大师

麦迪逊·克里格

当我开始研究动物是如何游泳的时候，我觉得自己不是那么像一个物理学家。当时我刚刚获得了物理学学士学位。在完成学位期间，我经常被这样教导：物理学家都是在少数流行词上下功夫的，比如量子力学、宇宙论、规范场论，以及诸如此类的领域。为了看一下研究所是否适合我，我加入了利福尼亚大学圣地亚哥分校的一个研究团队，开始实习，但是他们的研究与这些流行词毫不沾边。他们使用强大的数学工具，来了解诸如蜗牛、蠕虫以及微生物的运动。

我十分感激他们给予我这次机会，而且我认为，他们研究的问题既迷人又有趣——只不过他们研究的不是基础物理学罢了。随着我越来越深入地融入这个团体，这种差别逐渐发展成了一种身份认同危机。理论物理学家有点像某些艺术家或运动员：如果你觉得自己已经离克利（译者注：指保罗·克利，历史上最富诗意的造型大师）或佩顿·曼宁（译者注：美国橄榄球运动员，历史上最著名的四分卫之一）这些大师级的人物越来越远了，那么对你的职业生涯来说，似乎就要大祸临头了。我想我能感觉到爱因斯坦和费曼（译者注：美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖得主）在天上注视着我，以及在看到我转身走上一条“错误”的道路时皱眉的样子。

要想让我坚定自己选择的道路，微生物需要做出一些令人印象深刻的壮举，证明它们能够和原子发生猛烈的核聚变一样令人着迷——它们果然没有辜负我的期望。有些微生物能够将它们的DNA以小段甚至是大段的形式发射出去，并且这一过程中的加速度是航天飞机发射时的加速度的大约1000倍；另外一些微生物，则可以与跟它们完全不相干的邻居分享遗传信息，从而形成一个“互联网”。更有趣的是，微生物不服从牛顿定律，而牛顿定律在经典物理学中支配着基本运动，是经典物理学的支柱之一。

这些不同凡响的事实不仅改变了我对细菌的认识，而且改变了我。我开始深思，作为一个物理学家，究竟意味着什么。

微生物在流体环境的体验，与我们在流体环境的体验是完全不同的。我们能够以我们的方式体验到水，是因为我们有着一定的个头，能以特有的速度来游泳。物理学家和工程师是以雷诺数来描述水的“感觉”的，对于一个给定的液体，当它以一个给定的速度流动时，雷诺数是惯性力与黏性力（也就是向后拖的那个力）的相对比值。这个数字越大，说明相对于向后拖的黏性力而

言，惯性力占据着主导地位。当雷诺数较大时（至少达到几百），湍流（就是当快艇快速驶过时，你看到的白色的湍急泡沫）开始起作用。

通过这些你可以推算出人类游泳时的雷诺数，对像我这样笨拙的游泳者来说也就是不到几千，对奥运会选手来说要大一些。而对细菌来说，它们的雷诺数只有大约0.001。这意味着，惯性力对细菌的影响只有对人类影响的1/109。

要想重现细菌在水中的体验，对一个普通身材的人类来说，需要沉浸在糖蜜中以每分钟约1厘米的速度游泳。在停止的时候，惯性力只能让他们向前滑行不到1毫米就停下来；也就是说，向前滑行的距离必须用显微镜才能测量出来。向前滑行的时间也是微乎其微的，可以以微秒计，也就是闪光灯一闪的时间。同样，一个以最高速度行进的细菌在突然停止时，将向前滑行1/10埃，也就是大约一个原子的大小。在低雷诺数的世界里，慢吞吞地游上一年游过的距离，和你在正

常世界中1秒内游过的距离是一样的。

当惯性力不再重要时，诸如质量、加速度以及力，也就失去了它们的意义，牛顿第二定律（力等于质量乘以加速度）也就没有什么实际意义了。对一个细菌来说，牛顿第二定律就是“零等于零”。对细菌来说，没有所谓的加速度，细菌一旦开始游泳，几乎在顷刻之间就能达到稳定的游泳速度；而一旦它们停止游泳，这一速度又会立刻归零。对细菌来说，牛顿的物理世界显得十分荒谬。

在细菌的世界里，亚里士多德描述的物理学能够更好地解释一切，因为他否认惯性的存在。

我惊讶于细菌——那些被它们的发现者范·列文虎克称为“一群欢呼雀跃的小家伙”的生物——竟然打破了经典物理学的基石之一。看到这个，当时我追随的那个团队的负责人，指导我翻阅了由20世纪90年代的诺贝尔物理学奖得主写的一系列文章。这些文章证明了，支配微生物游泳的物理学原理与支配某些亚原子粒子的量子力学行为的物理学原理是相同的。他们甚至对某些现象进行了简单且具体的描述——也就是用规范场论对某种藻类的运动速度和轨迹进行了描述，而规范场论是我在接受本科教育时被灌输的、让我们觉得高深莫测的流行专业用语之一。正是由于细菌受规范场论支配的事实，才能精确地解释是什么让它们在不受力的情况下移动，并规避牛顿定律。

这对我来说是另一个巨大的教训，不仅是在物理学和数学上的教训，也是在社会学和身份认同方面的教训。我认识到，物理学家并不一定非要被限制在特定的研究对象上，而应该运用某些工具和思维方式，在任何感兴趣的领域，对任何类型的对象进行研究。规范场论不仅可被用于研究量子力学，也可以用于研究微生物以及与我们大小相近的其他对象。

我的研究不需要使用笔和纸来进行思考，而需要用我的胳膊、手、手指头和脚来感受。

在加利福尼亚大学圣地亚哥分校，在团队的帮助下，我进入布朗大学攻读博士学位。我的新同事挪用了那些理论物理学中最棒的工具，来对诸如游泳、窗帘的皱纹、树木和骨头的形成这类宏观课题进行研究。在认识到了这些不寻常地方的理论物理学结构以后，我为我的发现做好了准备——像微生物一样，人类也能超越牛顿定律。

在布朗大学的第一年里，我开始学习太极拳，以排解研究生课程的压力。当时，我沉迷于我的课题，已经变得像漫画中表现的科学家一样，眼睛盯着一块巨大的、写满了公式的黑板，狂躁地抓着自己的头发。在人们的印象中，太极拳具有让人放松的能力，还带着一些神秘主义，并且给人以不太适合竞技的感觉。

在最初的训练中，我确实学会了放松，并且忘记了我的工作。但是，当我练习到一般由两人对练的推手时，我收到了一种完全不同的效果。推手既可以以放松为目的，也可以以对抗为目的，由两个人进行协作练习。对抗性推手练习的目的很简单：与对手面对面站立，在不使用打、抓这些手段，并且不推对方腰部以下或锁骨以上的身体部位的前提下，努力使对方失去平衡。这种对练的动作应该是平滑且连续的，没有其他格斗中的那种肌肉对决。

推手训练的关键是学习发力时如何才能不失去平衡，而且要放松，并将对手引入“空”中：操纵对方的重心，这样他们冲你而来的推力或拉力将被你重新定向，从而安全地远离你的重心。在开始阶段，我很难确定身体的哪些部位紧了，哪些部位松了，即使是自己单独练习——要经过多年练习太极套路，你才能明白这一点。太极套路，绝对是练习中一个必不可少的组成部分，因为任何张力都会暴露出一条直线，直指一个人的重心，就像是一根钢棍（绷紧的肢体或关节）不牢靠地连着一个倾斜的结构（躯干）。因为这根“钢棍”既不能拉伸，也不能弯曲，任何人都可以通过推或拉这根“钢棍”，把这个倾斜的“结构”推倒。

接下来，一个有眼光的推手选手，必须学会通过触觉和视觉识别出对手身上绷紧的部位，并通过身体的接触来解读对手的意图，以及他的身体下一步将如何调整。推手挑战的是你的移动能力和身体的变化能力，以此化解冲你而来的力道。没有力量意味着没有惯性。在没有惯性的情况下，要想定义与质量有关的术语，就会变得含混不清了，诸如“重心”一类的概念将变得模糊。如果你不能感觉出与对手重心相连的机械连接的话，就无法判断对方的重心在哪里——可能是头

部、左手小指，也可能是其他任何地方。

所有这一切，让我被一种似曾相识的感觉淹没。对我来说，这是第一次，我的研究不需要使用笔和纸来进行思考，而需要用我的胳膊、手、手指头和脚来感受。最终我意识到，细菌都是太极大师。

像一个太极高手，细菌实际上也缺乏一个重心。如果一个细菌撞到另一个细菌，无论你认为它的重心是在头上还是鞭毛上，发生的运动都是一样的：它们只会黏附在一起，而且它们不用向对方施加任何力，就能一起到处移动。有时为了中和这些力量，它们需要保持这一状态很长时间，几乎是无限期的。也不知道为什么，这些细菌就是知道该如何移动才能化解它们之间的力——它们是深谙中和之道的大师。

它们也像是推手的练习者，做着看似不可能的事情：中和掉每一个力，同时还能实现某种形式的运动。它们会加快或放慢速度，也会突然改变方向。牛顿认为，没有力的作用，这些都是不可能发生的。

力和运动之间的对话，也让我看到了细菌“游泳”和推手之间的一个区别。推手时，在我们获得了一个十分有利的位置之后，最终将使出很大的力。类似的策略在太极拳以外也可以看到，比如拳王穆罕默德·阿里的伺机反击技巧，就是坚持顶住对手的重击，并使用拳击台围绳的弹性化解掉这些重击的能量，同时为自己随后的反击拳带来巨大的力量。简言之，太极拳练习者的细菌样运动，就是在能够将自己的优势最大化的时候精准地放弃。

对于一个细菌，根本就没有加速这回事。

这让我不禁心生好奇。难道发生在微生物身上的这一切，都是微生物从太极大师那里学到的吗？如果它们突然被允许以一种适时的和战略性的方式来发力的话，它们将如何表现？要理解这一点，我不得不将一些新的物理学引入它们，比如游泳的“规范场论”。这么做起初使我激动万分，现在却成了我让这些小动物相互使用武力的主要障碍。

这个源自武术的意外动机，成了我博士研究的主要推动力，我着手研究新环境中的细菌在物理表现上的细微差别。在这些环境中（比如，异常几何形状中的简单液体，或者是在简单几何形状中的异常液体），细菌可以为人类做很多有益的工作，包括装配和拖引小批量的药物，或者为微引擎提供动力。当我们以一种事先计划好的方式打破传统物理学的时候，这一切都将成为可能。这很像推手的练习者在已经赢得优势的时候打破中和的规则一样。

现在，这类思想正在向许多方向渗透，并将最终引导人们制造出十分有用的微观装置。这种触发发力的能力，将使细菌在与其目标黏附在一起后，能够在合适的时间分离开，从而使细菌能够担负起货运拖车的角色。比如，细菌可以搭载化疗分子为有效载荷，直接将化疗分子运向肿瘤，而在此运送过程中不会损害健康组织。（在没有人工干预的情况下，细菌自身也能够分离，但是其机制有些不明朗，并且涉及很多种不同化学物质的分泌。）而这些小小的“游泳者”（自然的或者人造的）可以以复杂的模式操纵和组装药物粒子。通过这种方式，细菌不仅可以用一些基本组分组装出抗癌药物，还可以将这些药物携带至肿瘤，然后释放，并且重复上述过程，直到治疗完成。

学习太极拳不仅指导了我的研究，还转变了我做研究的方式。西方哲学倾向于将整个大千世界分为观察者与被观察者，而且在这两者之间几乎没有互动。看到细菌和太极拳之间交相辉映，给了我一种新的视角，那就是通过聚焦于事物之间的联系，以一种更加平等的方式来进行物理学研究。

在发现细菌和中国武术之间的联系的过程中，我发现有大量质朴的东西在里面，并且在一时的情不自禁中，我触及了更深层次的东西。而这种质朴的东西，正是理论物理该如何去做的核心。我开始一遍又一遍地写草稿，想把我的一些想法表达出来。这是一些疯狂的想法，那就是使用身体技法来进行物理教学。我开始向我的朋友和同事大肆宣扬“源自身体的物理学”， 对我来说，太极拳、细菌和规范场论的数学思想之间的联系，似乎比使我的研究出现大问题的我的兴趣，或者暗示性的小想法之间的随机联系更深。

除了能够读书的眼睛，以及能够听讲座的耳朵之外，我已经认识到，身体也可以作为一种知识的载体和来源。在这个意义上，身体是我们拥有的最容易接近的知识载体，因为每个人都拥有身体，但并不是每个人都有机会阅读书籍，或者倾听讲座。我坚信，此类模糊的想法，虽然现在被看作数学家的专属地，但终将变得被大众普遍接受，至少通过类推可以做到这一步。如果你能够将一个亚原子粒子以某种特定的方式行动，与你和你的身体也相应地以某种特定的方式行动之间联系起来的话，就能更好地了解你生活的这个世界，哪怕这些微小的细节被扫到地毯之下。或者更进一步，也许这会让你想要更好地了解这个世界。

认识到这种联系，我觉得我有了特定的立足之地，或者说我已经有了自己的角色，而这一角色并不一定非要用“物理学家”来描述。“物理学家”这个词，是一个已经扎根在社会学和民意中的、既牢固又脆弱的定义，而且它使我对自己产生了怀疑。现在，令科学家感兴趣的各种各样的事物，早已使“物理学家”这样的术语变得黯然失色。今天，对这些领域而言，该是人们在思维模式和术语上做出改变的时候了。这种新的思维模式，应该有一个新的名字，我选择“联结者”。

“联结者”是那些注意到事物之间联系的人。对物理学而言，“联结”也许是最宝贵的技能了，而许多物理学界的杰出人物都拥有这一技能——在民间文学中，充斥着各种关于费曼在康奈尔大学食堂通过旋转盘子发现了量子电动力学原理，以及爱因斯坦通过玩弄菜汤发现了布朗运动理论等各种各样的传说。在这里，科学发现被包装进了个人故事。有时候，故事是这样的：在科学家已经盯了黑板数百个小时、搜肠刮肚而百思不得其解时，突然之间，就在他们沐浴时、打保龄球时、看到鸟儿飞翔的形态时，突破发生了。

这些小小的瓜葛很少被写进公开发表的出版物中，也很少在诺贝尔获奖演说中加以讨论。但从某种意义上说，这是故事中最重要的组成部分，不仅因为它们是最人性化的和最容易让人接受的，还因为它们反映了科学发展的本质。如果事实真是如此，就像我们可以从原子发生猛烈的核聚变来猜测第一批恒星是怎么诞生的一样，那我们司空见惯的活动也就没有什么太大的不同了。如同太极中的阴和阳一样，它们通常同时出现，无论我们注意到与否。