《大西洋月刊》丨物理學(xué)再也無法忽視的真相

The Truth Physics Can No Longer Ignore

生命體的根本性質(zhì)，正在挑戰(zhàn)物理學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)以來所秉持的假設(shè)。

作者：亞當(dāng)·弗蘭克（Adam Frank）

插圖：Anna Ruch/《大西洋月刊》。圖片來源：Manuel Nieberle/Miles Matsui Schleifer/Connected Archives；De Agostini/Getty。

2024年10月8日，物理學(xué)界陷入了一場爭議。當(dāng)天，諾貝爾物理學(xué)獎被授予了一項(xiàng)與黑洞、宇宙學(xué)或奇異的新亞原子粒子毫無關(guān)系的研究——而是關(guān)于人工智能（AI）。物理學(xué)最高榮譽(yù)為何會頒給旨在模仿人類大腦的機(jī)器研究？這當(dāng)中究竟還有沒有“物理學(xué)”？

在整個(gè)20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，物理學(xué)家基本上忽略了生命系統(tǒng)。他們將生物體視為機(jī)器——盡管是由黏糊糊的部件構(gòu)成的。一個(gè)名為“生物物理學(xué)”的子領(lǐng)域揭示了這些分子機(jī)器背后的特定物理機(jī)制。然而，作為一個(gè)整體的生物體卻從未成為物理學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)。

但如今，我和許多物理同行已不再認(rèn)同這種輕視態(tài)度。我們逐漸相信，在每一個(gè)微生物、動物乃至人類身上，都正展開著一個(gè)謎題——它挑戰(zhàn)著物理學(xué)家數(shù)百年來的基本假設(shè)，也可能解答有關(guān)人工智能的核心問題。甚至，它還可能為下一代重新定義物理學(xué)本身。

長期以來，物理學(xué)的核心傲慢在于認(rèn)為自己是所有科學(xué)中最“根本”的學(xué)科。物理系學(xué)生學(xué)習(xí)的是現(xiàn)實(shí)的基本要素——空間與時(shí)間、能量與物質(zhì)——并被告知，所有其他科學(xué)最終都必須還原為物理學(xué)所發(fā)現(xiàn)的基本粒子和定律。這種哲學(xué)被稱為“還原論”（reductionism），從牛頓定律到20世紀(jì)的大部分時(shí)期都頗為奏效：物理學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了電子、夸克、相對論等等。然而在過去幾十年中，最極端還原論方向的物理學(xué)進(jìn)展明顯放緩。例如，人們期待已久的“萬物理論”（如弦理論）至今未能結(jié)出重要成果。

不過，除了還原論之外，還有其他方式可以思考宇宙中的“根本”。自20世紀(jì)80年代起，物理學(xué)家（以及其他領(lǐng)域的研究者）開始發(fā)展新的數(shù)學(xué)工具，用于研究所謂的“復(fù)雜性”（complexity）——即整體遠(yuǎn)大于部分之和的系統(tǒng)。還原論的終極目標(biāo)，是把宇宙中的一切都解釋為粒子及其相互作用的結(jié)果；而復(fù)雜性科學(xué)則認(rèn)識到，一旦大量粒子聚集形成宏觀事物（比如生物體），僅了解粒子本身已不足以理解現(xiàn)實(shí)。這一思路的早期先驅(qū)之一是物理學(xué)家菲利普·W·安德森（Philip W. Anderson），他用一句簡潔的話概括了這種新興的反還原論觀點(diǎn)：“多即是不同”（More is different）。進(jìn)入21世紀(jì)后，復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)迅速發(fā)展，并于2021年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

從物理學(xué)家的視角來看，沒有任何復(fù)雜系統(tǒng)比生命更奇特、更具挑戰(zhàn)性。首先，生命物質(zhì)的組織方式違背了物理學(xué)家對宇宙的常規(guī)預(yù)期。你的身體和其他物體一樣，由物質(zhì)構(gòu)成。但構(gòu)成你今天的原子，一年后就不再是構(gòu)成你的原子了。這意味著你和所有其他生命體并非像巖石那樣的惰性物體，而是一種隨時(shí)間動態(tài)演化的模式。然而，對物理學(xué)而言真正的挑戰(zhàn)在于：構(gòu)成生命的這些模式是“自組織”的。生命系統(tǒng)以一種現(xiàn)有機(jī)器無法復(fù)制的奇特循環(huán)，既創(chuàng)造又維持自身。以細(xì)胞膜為例：它通過允許某些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入、阻止其他物質(zhì)進(jìn)入，使細(xì)胞得以存活。而細(xì)胞不僅創(chuàng)造并持續(xù)維護(hù)這層膜，這層膜本身也是一個(gè)使細(xì)胞得以存在的過程。

這種“雞生蛋還是蛋生雞”的困境，動搖了舊物理學(xué)的夢想——即一旦宇宙的基本粒子被完整編目，其余一切都能被明確描述和預(yù)測。給我一顆年輕的恒星，我就能用還原論的物理定律預(yù)測它的未來：它會存活一百萬年而非一百億年；它將以黑洞而非白矮星的方式終結(jié)。但生命體的組成部分卻產(chǎn)生出全新且不可預(yù)料的現(xiàn)象，稱為“涌現(xiàn)”（emergence）。給我一個(gè)地球早期歷史中的簡單細(xì)胞，我也絕不可能預(yù)測到大約40億年后，它會演化成一只能一拳打在你臉上的巨型兔子。袋鼠（就像人類一樣）是生命演化過程中不可預(yù)測的、涌現(xiàn)性的結(jié)果。

支配物質(zhì)與能量的基本定律，無法預(yù)測生命的另一項(xiàng)根本屬性：它是宇宙中唯一會為了自身目的而使用信息的系統(tǒng)。植物向光生長，微生物游向營養(yǎng)豐富的區(qū)域，動物躲避捕食者，人類則將巨大的金屬裝置送入外太空。誠然，我們可以給機(jī)器人編程，讓它在電量低時(shí)尋找電源插座，但這種需求必須由生命體（比如人類程序員）預(yù)先硬編碼進(jìn)機(jī)器中。相比之下，生命具有自主性和能動性（agency）。從微生物到螃蟹再到人類，所有生命都有自己的“癢處”要去抓撓。

要真正理解生命系統(tǒng)作為自組織、自主的能動體，物理學(xué)家必須拋棄那種“只看粒子就行，女士”的心態(tài)。物理學(xué)家的一大特長——從簡單部分（如原子）的定律出發(fā)，逐步構(gòu)建復(fù)雜整體——無法完全解釋細(xì)胞、動物或人類。幸運(yùn)的是，物理學(xué)還有另一項(xiàng)基本技能可資利用：一種獨(dú)特的提問方式和建模方法，用以做出預(yù)測。物理學(xué)家歷來擅長抓住系統(tǒng)的核心特征，并用數(shù)學(xué)語言加以表達(dá)。例如：有多少有用能量流經(jīng)細(xì)胞膜？扁蟲神經(jīng)系統(tǒng)中哪種神經(jīng)元排列能最大化信息處理效率？現(xiàn)在，這些技能必須被用來應(yīng)對一個(gè)古老卻長期被忽視的問題：什么是生命？

借助這些技能，物理學(xué)家若與其他復(fù)雜性科學(xué)領(lǐng)域的研究者合作，或許能破解數(shù)十億年前地球生命如何起源之謎，也能探索生命在遙遠(yuǎn)系外行星上可能的形成方式——這些星球如今可通過尖端望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。同樣重要的是，理解生命作為一種有序系統(tǒng)，為何在根本層面不同于宇宙中的其他一切，或許能幫助天文學(xué)家設(shè)計(jì)出新策略，在與地球截然不同的環(huán)境中尋找生命。無論外星生命多么陌生，只要將其視為一種自組織、以信息驅(qū)動的系統(tǒng)進(jìn)行分析，就可能成為在數(shù)百光年外行星上探測生命跡象的關(guān)鍵。

回到地球，研究生命的本質(zhì)很可能對全面理解智能——以及構(gòu)建人工智能——至關(guān)重要。在當(dāng)前這場AI熱潮中，研究者和哲學(xué)家一直在爭論：大型語言模型是否可能、何時(shí)可能實(shí)現(xiàn)通用智能，甚至具備意識？或者，某些模型是否已經(jīng)做到了？要恰當(dāng)?shù)卦u估這些主張，唯一可靠的方法就是盡一切可能去研究公認(rèn)的通用智能唯一來源：生命本身。將生命的新物理學(xué)應(yīng)用于AI問題，不僅可能幫助研究者預(yù)測軟件工程師能構(gòu)建什么，還可能揭示試圖用硅基芯片捕捉生命本質(zhì)特征的根本局限。

隨著21世紀(jì)繼續(xù)展開，我的物理同行們無疑將繼續(xù)推進(jìn)黑洞、量子力學(xué)等傳統(tǒng)領(lǐng)域的研究。但對生命的研究，將帶我們前往從未想象過的地方，為我們的學(xué)科開辟一條前所未有的道路——這一次，我們將與生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和社會學(xué)家站在同一片競技場上。若能以最佳狀態(tài)追求關(guān)于生命本質(zhì)的根本答案，物理學(xué)家不僅可能迎來新的科學(xué)奇跡，還可能開創(chuàng)一種全新的科學(xué)研究范式。

作者：亞當(dāng)·弗蘭克是羅切斯特大學(xué)的天體物理學(xué)家。他撰寫《人人宇宙》通訊，也是《外星人小書》的作者。

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