为什么说物理学不是一门学科？

菲利普·鲍尔

你听说过那个关于一位生物学家、一位物理学家和一位数学家的故事吗？他们坐在一个咖啡馆里，看着人们从街对面的一栋房子进进出出。有两个人进入那栋房子，过了一段时间后，从里面出来了三个人。物理学家说：“测量不准确。”生物学家说：“他们生了一个。”数学家说：“如果现在正好有一个人进入这栋房子，那么这栋房子又是空的了。”

好笑吗？不好笑吗？你可以找到大量类似的笑话（很多都涉及“球形奶牛”的概念），但是没有一个能够让我笑的。（“球形奶牛”的起源是这样的：一位农场主雇用了一帮数学家帮他提高牛奶的产量。最终，数学家给农夫提交了报告，开头第一句便是：“假设有一头球形的奶牛……”这个笑话揭示了人们对数学模型的误解。尽管，这并不是他们的本意。）这些笑话旨在告诉我们，这些学科观察世界的方式与我们是截然不同的，也许是完全不相容的。

这是有些道理的。例如，许多物理学家会告诉你这样的故事：对于物理学家在生物学领域的努力，生物学家是如何不屑一顾的，他们会认为，物理学家对生物学完全摸不着边际，并且充满了误解。事情还不仅仅是物理学家被认为做错了事情这么简单。通常生物学家的观点是，在生物学中根本没有物理学的地盘。

但是，此类反对意见（和笑话）将学术标签与科学混为一谈。对物理学的正确理解，不是由学校教授的一个学科和大学的一个系，它是了解发生在这个世界上的所有过程的一种特定的方式。当亚里士多德在公元前4世纪写下《物理学》一书时，他不是在描述一个学科，而是在描述一种哲学方式：思考自然的一种方式。你或许会认为这是“物理学”一词古老的用法，但它不是。当物理学家今天说到“物理”的问题时（就如同他们经常做的一样），他们要表达的意思，与亚里士多德的意思是相近的：不是赤裸裸的数学形式主义，也不是纯粹的叙述，而是从基本原理来推导过程的一种方式。

这就是为什么如同有化学的物理学、地质的物理学以及社会的物理学一样，现在也有了生物的物理学。但，并不一定非得是专业意义上的“物理学家”才能有所发现。

    英国数学家阿兰·图灵提出了一种在化学和生物学系统中进行图形化的通用方法。使用“催化剂”和“抑制剂”既可以制造出左上方的点，也可以制造出右上方的条纹。有一些样式与在自然界中发现的样式有着惊人的相似之处，比如斑马。上图：由法国波尔多大学的雅克·保阿索那德和帕特里克·德·凯普提供的图灵斑图;下图：斑马。

在20世纪中期，物理学和生物学之间要比今天更为互通声气。一些2 0世纪的分子生物学先驱，包括马克斯·德尔布吕克、西摩·本泽尔，以及弗朗西斯·克里克，都是被作为物理学家来培养的。而当詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克于1953年发现DNA中的遗传编码，人们也因此开始用“信息”的观点看待基因和进化时，人们通常将遗传编码的发现归功于物理学家埃尔温·薛定谔于1944年出版的《生命是什么？》一书（当然，他的一些想法已经被生物学家赫尔曼·米勒早预料到了）。

在20世纪中叶，物理学和生物学的整合深受当时许多著名生物学家的欢迎，包括康拉德·哈尔·沃丁顿、J.B.S·霍尔丹、李约瑟，他们正是剑桥大学理论生物学俱乐部的发起人。和人们了解DNA“数字代码”的意义几乎在同一时间，应用数学家诺伯特· 维纳在勾勒其控制论的理论，该理论被认为可用来解释从机器到细胞一类的复杂系统是如何由反馈网络来控制和调节的。1955年，物理学家乔治·伽莫夫在《科学美国人》上发表了具有先见之明的文章，名为《活细胞的信息传递和控制论》，这给生物学家雅克·莫诺和弗朗索瓦·雅各布提供了一种语言，使他们

能够在20世纪60年代明确地描述出他们早期提出的基因调控网络理论。

各布提供了一种语言，使他们能够在20世纪60年代明确地描述出他们早期提出的基因调控网络理论。

造成这种割裂的关键原因，在恩斯特·迈尔于2004年出版的《是什么让生物学如此独特》中进行了总结。迈尔是最杰出的现代进化生物学家之一，仅仅是这个书名，就反映了一个普遍流行的观念，那就是生命科学例外论。在迈尔看来，对物理学所能提供的一般理论来说，生物学太混乱、太复杂，所以这些理论没有很大的帮助——魔鬼总是在细节中。

    艾伦·麦席森·图灵是英国的数字家、逻辑学家，被称为计算机之父、人工智能之父。

科学思想在一个领域的发展，最终可能被证明与另一个领域相关。

迈尔做出了可能是任何生物学家都试图做出的、最协调一致的尝试，为他的学科划出明确的学科界限，巧妙地将其与其他科学领域隔离开来。在这一过程中，他向我们提供了他的这一努力之所以愚蠢的、最清晰的实证之一。

他确定了4个物理学区别于生物学的基本特征：物理学是一种本质主义理论（将世界划分为细致入微的和一成不变的类别，如电子和质子）;物理学是一种确定性理论（这个必然导致那个）;物理学是一种简化理论（通过减少一个系统的组成部分来理解这个系统）;物理学总是假定普遍的自然法则。而在生物学中，这些都被机遇、随机性和历史偶然性在暗地里给破坏掉了。只要你对量子理论、混沌学以及它们揭示的复杂性略知一二，你就会知道，迈尔对物理学的这一特性的描述是有着致命缺陷的。

不过，在迈尔辩称生物学真正与众不同之处时，与目的有关：生物学是盲目变异和进化过程中的选择，巧夺天工的设计。粒子在随机漫步时互相碰撞，不一定是为了非要做出点什么事情来。而基因网络、蛋白质分子、细胞的复杂架构，是由生存的迫切需要塑造出来的：它们拥有一个目标。而物理学不用处理目标，对吗？就像纽约城市大学的马西莫·匹格里奇，一位由进化生物学家转行而来的哲学家，最近所说的：“追问一个电子、一个分子、一颗行星或者一座山，它们的目的或目标是什么，没有任何意义。”

目的或目的论，在生物学中也是一个难以言表的词：它们很轻易地就为进化的“盲人钟表匠”提出一个命运注定论的目标，并最终导致自己对创世论（译者注：即相信万物皆由上帝一次造成）的滥用。

事实上，物理学家并没有被这个词吓倒。当诺伯特·维纳在1943年撰写论文《行为、目的和目的论》时，受到了蓄意挑衅。2年后，维纳与匈牙利数学物理学家约翰·冯·诺依曼形成了他们的目的社会学，宣称其使命在于让人们理解“在人类和动物的行为中，是如何意识到目的的”。冯·诺依曼对“复制”的持久兴趣（对进化“生物功能”来说，“复制”是一个最基本的要素），为其细胞自动机理论奠定了基础，该理论现在已经被广泛用于研究复杂的自适应过程，包括达尔文的进化论。

表面上的目的，起因于对环境的达尔文适应。但是，是否这样就能由达尔文的随机突变和自然选择来完美地讲明白，而不需要诉诸任何适应方面的“物理学”知识呢？

事实并非如此。首先，达尔文理论的这两个组成部分——可复制生命体之间的随机可遗传变异和来自环境的选择压力——必然产生适应、多样性和创新的观点，并不是那么清楚明了的。说起来，这取决于复制的速度、复制过程的保真度、系统中随机噪声的水平、选择压力的强度、遗传信息以及遗传信息管理的特征之间的关系（基因型和表现型），等等。进化生物学家有用来研究这些事情的数学模型，但是在没有一个与之相关的总体框架的情况下，这些计算能告诉你的东西很少。

这个总体的框架就是进化物理学。说起来，可以用术语、变量阈值来对其进行勾画。当变量在阈值以上时，一种新的全球性行为出现了：物理学家称之为相图。理论化学家彼得·舒斯特和他的合作者发现，当基因复制错误率的一个阈值低于该阈值时，正在复制的基因组所包含的信息保持稳定。换句话说，超过这个错误率，就没有可识别的物种了，因为就其本身而论，它们的遗传同一性“融化”了。舒斯特的同事、诺贝尔奖得主曼弗雷德·艾根则辩称这一转变是一种相变，与物理学家传统上研究的融化现象完全类似。

与此同时，进化生物学家安德里亚斯·瓦格纳已经使用计算机模型来显示达尔文进化论在本质上革新，产生新形式和新结构的能力。在此，“物理学”又支撑起了进化多样性。

而麻省理工学院的物理学家杰里米·英格兰则辩称，适应本身不一定非要依赖于达尔文的自然选择和遗传继承学说，而是有可能更深地埋藏在复杂系统的热力学中。恰当和适应的观念一直是出了名的难以搞定，它们很容易就能将听上去合情合理的循环结束掉。但是英格兰说，在最基本的形式上，它们可能会被认为是一个特定系统具有的能力，可以抑制能量的大幅波动和消散。

“我们开始的假设是普通物理学的那种假设，而这些假设让我们倾向于主张那种非平衡演化具有的一般特征。而在非平衡演化中，达尔文的故事就变成了一个特例，如果在你的系统中包含自我复制的东西， 你才能获得这一特例。”英格兰说，“于是，这个概念就变成了热波动的物体会自发地打造其形状，以在其所处的环境中更好地从外界进行吸收。这一发现的激动人心之处在于，当我们给我们看到的某种看上去‘适应了的结构的起源一个物理账户时，它们不一定必须要有一般生物意义上的父母。”一些研究者已经提出，英格兰的观点为达尔文的学说提供了物理学基础。

请注意，我们在此真的没有说该生物学现象中的物理学来自何方——它是由化学家和生物学家提出的可能性，这与由物理学家提出的可能性是一样的。从学科的角度来看，这里根本没有任何将这些基本思想和理论称之为物理学问题的学术沙文主义。我们需要做的，只是将“物理学”一词从与它如影随形的分门别类的定义中，以及学术地盘之争中拯救出来。

你可以把这些入侵生物学的、在物理学中更为人们熟悉的观点，看作科学思想在一个领域的发展最终被证明与另一个领域相关的又一个例子。但是这个问题要比上面所说的更深入一些，我们需要超越试图划分和保卫学科疆界的企图。

物理学家赞美同行能够看出“问题中的物理学”的能力的习惯，可能听起来让人觉得怪怪的。但是除了思考“问题中的物理学”，物理学家还能做些什么呢？其中存在一个误解。这些概念往往是一些非常一般的概念，可以用非数学语言，甚至是口语化的语言简明地表达出来。在这个意义上，物理学既不是一套固定的程序，也没有落到某一特定类别的主题上;它是一种思考世界的方式，是一种组织因果关系的方案。

对于生物学中的物理学将由什么组成，我们并不是十分了解。但是没有了它，我们将无法理解生命。

这种想法可以从任何科学家的头脑中冒出来，无论他或她身负何种学术标签。这也正是当他们看到反馈过程对基因调控至为关键时，雅各布和莫诺向人们展示的，他们还因此打造了人机关系学与控制理论之间的联系。这正是20世纪70年代发育生物学家汉斯·迈因哈特及其同事阿尔佛雷德·基尔在解开图灵结构的物理学时所做的。这些自发的模式出现在化学物扩散的数学模型中，是由数学家阿兰·图灵在1952年设计出来的，用以解释形成的世代和胚胎中的顺序。迈因哈特和基尔识别出了图灵数学中潜藏的物理学：一种自发产生的“激活剂”和一种抑制其行为的成分之间的相互作用。

一旦我们迈过了物理学的门类定义，围绕在其他学科周围的壁垒都将变得更为松懈，从而使我们能够得到积极的结果。迈尔认为，生物媒介是以一种无生命物体不具有的方式，由目标驱动的。他的这一论点是与生物信息的原始密码紧密绑定的，源于“一切都始于DNA”的观点。就像迈尔所说，“在生命的世界中，没有一个单一的现象，或者一个单一的过程，不是由基因组中包含的遗传程序控制的”。

这种观点现在有时被称为“DNA沙文主义”，导致迈尔错误地将这种还原论和决定论归因于物理学，并且认为生物学中的物理学已经被掏空。因为，即使我们认识到DNA和基因的确是生命进化和生存的详细细节的核心，也需要一个更广泛的图，在这个图中，维护生命的信息并不仅仅来自一个DNA数据银行。关键问题之一是因果关系：信息流向什么方向。现在，量化这些因果关系问题正在成为可能。

威斯康星大学麦迪逊分校的神经学家朱利奥·托诺尼和他的同事设计了一个用于有着相互作用的组件的复杂系统的通用模型（这个系统可以是神经元，也可以是基因），他们发现，有时系统的行为并不是由一种自下而上的方式引起的，而是由各组件之间更高水平的组织方式引起的。

在最近进行的一次酵母基因网络信息流分析中，亚利桑那州立大学的萨拉·沃克、保罗·戴维斯以及他们的同事证实，“向下的”因果关系可能真的参与了这一案例。他们认为，自上而下的因果关系可能是生命物理学的一个特性，而且可能在进化过程中的某些重大变化中发挥了关键作用，比如基因序列的出现、复杂分化细胞（真核生物）的进化、多细胞生物的发展，甚至是生命起源本身。他们认为，在这些关键点上，信息流可能转换方向，由此在组织的更高水平上发生的过程，影响和改变了那些在较低的水平上发生的过程——不是一切都是由基因水平上的突变驱动的。

瓦格纳、舒斯特和艾根的工作表明，DNA和基因网络与生物体的进化和维护是相互连接的，而对于这种连接，只有当我们更好地掌握了信息本身的物理特性时，才能充分理解。

一个恰当的例子就是，生物系统在操作中经常接近于物理学家所称的临界相变或临界点：这是一种在两种组织模式之间切换的边缘，保持平衡的状态，两种组织模式中有一种是有序的，另一种则是无序的。临界点，在诸如磁性、固液混合物、超流体等物理系统中，是众所周知的。2010年，美国普林斯顿大学致力生物问题研究的物理学家威廉·彼亚雷克及其同事蒂埃里·莫拉提出，各种各样的生物系统，从成群结队飞行的鸟儿，到大脑中的神经网络，以及蛋白质中氨基酸序列的组织，都可以接近临界状态。

彼亚雷克和莫拉说，通过使其接近临界点，一个系统将发生大的波动，从而使它的组分能够达成各种不同立体基阵。因此，莫拉说：“临界点可能为处理复杂和不可预测的环境带来必要的灵活性。”更重要的是，近临界状态对环境中的扰动极为敏感，而这些扰动可将涟漪效应传遍整个系统。这种现象可以帮助一个生物系统非常迅速地适应变化：比方说，一群飞鸟或者一群鱼可以对捕食者的到来做出非常快速的反应。

临界状态还可以提供一种信息收集机制。意大利帕多瓦大学的物理学家阿摩司·马利坦及其合作者已经表明，一种“认知主体”集合的临界状态——可以是生物个体或者是神经元——能够使系统“意识”到，在它周围正在发生着什么：将其所处的环境和情况编码出一份“内部地图”，在临界点保持平衡，可为系统提供最佳的灵活性和进化优势，以应对和适应高度可变的复杂环境。有越来越多的迹象显示，大脑、基因网络以及兽群的确是以这种方式组织的。临界状态可能无处不在。

这样的例子给了我们信心，使我们相信生物学中是有物理学的。对于“生物学就是那么乱糟糟的一团”的常见说法，彼亚雷克不能容忍。他说：“这里可能会有一些不能削减的凌乱，我们永远也无法了解。但是我相信，总会有一种生物系统的理论物理学可以达到在物理学的其他领域已经成为标准的预测能力水平。”没有它，生物学就有变成纯粹的奇闻和意外事件的风险。我们可以相当确定的一件事是，生物学不是这样的，否则它根本就无法运行。

我们还不知道生物学的物理学究竟包括些什么，但是，没有了它，我们将无法理解生命。关于基因网络如何在面对变化的环境时既能产生稳健性，又能产生适应性，它肯定有话要说，对不对？举个例子来说，一个有缺陷的基因不一定是致命的，细胞也可以在不改变它们基因的情况下以稳定、可靠的方式改变它们的特征。生物学的物理学应该能够揭示进化本身，让我们了解它为什么既是可能的，又是具有创造性的。

说物理学没有疆界，不等于说物理学家可以解决一切问题。他们也是在一个学科内被培养大的，和我们一样，当他们走出学科的藩篱时，也有容易栽跟头的倾向。这个问题不是谁“把持”特定科学问题的问题，而是关于如何开发有用的工具以思考事物是如何运行的——这正是亚里士多德在2000多年以前试图做的事情。物理学不只是发生在物理系的事。这个世界真的不关心什么

学术标签，而且如果我们想要真正理解这个世界，那么也不应该去关注什么学术标签。