为什么物理学不是一门学科

H（H）你听说过生物学家、物理学家和数学家吗？他们都坐在咖啡馆里，看着街对面房子里的人来来往往。两个人进来，过了一段时间，三个人出现了。物理学家说，“测量结果不准确。”生物学家说，“他们已经繁殖了。”数学家说：“如果现在正好有一个人进入房子，那么房子就会再次空荡荡的。”

好笑，不是吗？你可以找到很多这样的笑话——很多都引用了球形奶牛的概念，但我还没有找到一个能让我发笑的。然而，这并不是他们想要的。它们旨在向我们展示，这些学术学科以非常不同的、也许是不相容的方式看待世界。

这里面有些道理。例如，许多物理学家会讲述生物学家对他们在该领域的努力漠不关心的故事，认为他们是无关紧要和被误解的。不仅仅是物理学家们被认为做错了事情。通常，生物学家的观点是（也许在建立良好但定义严格的生物物理学学科之外）生物学中根本没有物理学的位置。

但这些反对意见（和笑话）将学术标签与科学标签混为一谈。正确理解物理学并不是学校和大学系教授的科目；这是一种理解世界进程如何发生的方式。当亚里士多德写他的物理公元前4世纪，他并没有描述一门学术学科，而是一种哲学模式：一种思考自然的方式。你可能会认为这只是一个古老的用法，但事实并非如此。当物理学家今天谈论这个问题的“物理学”时（就像他们经常做的那样），他们的意思与亚里士多德的意思相近：既不是纯粹的数学形式主义，也不是纯粹的叙述，而是从基本原理推导过程的一种方式。

这就是为什么生物学有物理学，就像化学、地质学和社会物理学一样。但不一定是专业意义上的“物理学家”会发现它。

我20世纪中叶，物理学和生物学之间的界限比今天更加疏远。20世纪分子生物学的几位先驱，包括马克斯·德尔布吕克、西摩·本泽和弗朗西斯·克里克，都接受了物理学家的培训。詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1953年发现DNA中的遗传编码时，发现了关于基因和进化的“信息”观点，这一观点的开始通常归因于物理学家埃尔文·薛定谔（Erwin Schrödinger）1944年的书生命是什么？（然而，生物学家赫尔曼·穆勒预见到了他的一些想法。）

世纪中期，物理学和生物学的融合受到了许多顶尖生物学家的欢迎，包括康拉德·哈尔·沃丁顿（Conrad Hal Waddington）、J·B·S·霍尔丹（J.B.S.Haldane）和约瑟夫·李约瑟（Joseph Needham），他们召集了剑桥大学的理论生物学俱乐部。在应用数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener）概述控制论理论的同时，对DNA“数字代码”的理解也出现了，该理论旨在解释从机器到细胞的复杂系统是如何被反馈过程网络控制和调节的。1955年，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）在科学美国人控制论为生物学家雅克·莫诺德（Jacques Monod）和弗朗索瓦·雅各布（François Jacob）提供了一种语言，用于在20世纪60年代形成他们早期的基因调控网络理论。

但后来这个“生物学物理”项目停滞不前。尽管物理学家向生物相关问题转移，但他们的大部分努力与主流基因组数据收集以及分子和细胞生物学中遗传和生物化学机制的详细研究仍然存在空白。怎么搞的？

Ernst Mayr在2004年出版的书中总结了离婚的一些关键原因生物学的独特之处迈尔是现代最杰出的进化生物学家之一，仅此标题就反映了生命科学中广泛持有的例外论概念。在迈尔看来，生物学太杂乱无章、太复杂，物理提供的一般理论帮不上什么忙——魔鬼总是在细节中。

在一个领域发展起来的科学思想可能会在另一个领域变得相关。

迈尔做出了可能是任何生物学家最一致的尝试，围绕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。在这样做的过程中，他清楚地证明了这种努力的愚蠢。

他确定了物理学区别于生物学的四个基本特征。它是本质论者（将世界划分为明确界定的和不变的类别，如电子和质子）；它是确定性的(这总是必然导致那个); 它是简化主义者（通过将系统简化为其组成部分来理解系统）；它还提出了普遍的自然规律，这些规律在生物学中受到偶然性、随机性和历史偶然性的破坏。任何物理学家都会告诉你，这种对物理学的描述是完全有缺陷的，正如对量子理论、混沌和复杂性的短暂熟悉所揭示的那样。

但是迈尔的论点更有趣——如果不是更有效的话——当他声称生物学真正独特的地方在于它与目的：通过进化过程中的盲目变异和选择巧妙地打造了设计。粒子在随机行走时相互碰撞不必做什么都可以。但细胞的遗传网络、蛋白质分子和复杂结构是由生存的迫切性所决定的：它们有一种目标。物理不涉及目标，对吗？正如纽约城市大学（City University of New York）的马西莫·皮格利乌奇（Massimo Pigluicci）（一位进化生物学家转为哲学家）最近所说的那样，“问电子、分子、行星或山脉的目的或目标是什么是毫无意义的。”¹

目的论或目的论在生物学中是很难用的词：它们都很容易为进化的“盲目的钟表匠”提出一个确定的目标，并且容易被创造论者滥用。但我们无法逃避内疚功能生物学：其成分和结构在生物体的生存和基因的传播中起着重要作用。

问题是，物理科学家也不会被这个词吓倒。诺伯特·维纳（Norbert Wiener）在1943年写他的论文《行为、目的和目的》（Behaviour，purpose and teleology）时，故意挑衅。两年后，维纳与匈牙利数学物理学家约翰·冯·诺依曼共同成立了目的论协会，该协会宣布其使命是理解“目的是如何在人类和动物行为中实现的”。冯·诺伊曼对复制的持久兴趣，这是进化“生物功能”的基本要素-作为一种计算过程，细胞自动机理论奠定了基础，目前细胞自动机被广泛用于研究复杂的自适应过程，包括达尔文进化（甚至理查德·道金斯也使用过它们）。

明显的目的来自达尔文对环境的适应。但是，达尔文的随机变异和自然选择难道就不能完全理解这一点吗？

事实上，没有。首先，这两个要素——复制生物体之间的随机遗传突变，以及来自环境的选择性压力——必然会产生适应性、多样性和创新，这一点并不明显。例如，这如何取决于复制速度、复制过程的保真度和系统中随机噪声的水平、选择压力的强度、可遗传信息与其控制的性状（基因型和表型）之间的关系，等等？进化生物学家有数学模型来研究这些事情，但如果没有一个与之相关的通用框架，进行计算几乎不会告诉你什么。

这个总框架就是进化物理学。它可能是根据变量的阈值来绘制的，如果超过阈值，就会出现一种新的全局行为：物理学家称之为相图。理论化学家彼得·舒斯特（Peter Schuster）及其同事发现，基因复制的错误率有这样一个阈值，低于这个阈值，复制基因组中包含的信息保持稳定。换句话说，超过这个错误率，就不可能有这样的可识别物种：它们的遗传身份“融化”。舒斯特的同事、诺贝尔奖得主化学家曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）认为，这种转变是一种相变，完全类似于物理学家更传统地研究的那种融化。

与此同时，进化生物学家安德烈亚斯·瓦格纳（Andreas Wagner）使用计算机模型表明，达尔文进化论创新和产生质的新形式和结构的能力，而不仅仅是主题上的微小变化，并不是自然选择自动产生的。相反，这取决于可能性组合空间有一个非常特殊的“形状”，它描述了功能（例如，蛋白质的化学效应）如何取决于编码它的信息（例如分子链中氨基酸的序列）。这里又是“物理学”的基础进化多样性.

麻省理工学院的物理学家杰里米·英格兰（Jeremy England）认为，适应本身不必依赖达尔文的自然选择和遗传，而可能更深入地嵌入复杂系统的热力学中。²众所周知，健身和适应的概念一直很难确定，它们很容易听起来像是循环的。但英国表示，它们最基本的形式可能被视为一个特定系统通过抑制大的波动和耗散能量来面对持续不断的能量输出的能力：你可以说，通过一种能力保持冷静，继续前进.

英格兰说：“我们最初的假设是一般的物理假设，它们将我们带到了一个关于非平衡进化的一般特征的主张上，达尔文的故事成为了一个特例，在你的系统包含自我复制的东西的情况下。”。“这个概念变成了热波动物质会自发地被打成形状，这些形状善于从环境中的外部场吸收功。”他说，这令人兴奋的是，这就是“当我们对我们看到的一些“适应的”外观结构的起源进行物理解释时，它们不一定要有通常生物学意义上的父母。”一些研究人员已经开始建议，英国的思想为达尔文的思想提供了基础物理。

请注意，这一生物现象的“物理学”将从何而来真的不得而知——它可能来自化学家和生物学家，也可能来自“物理学家”本身。从学科的角度来看，把这些基本思想和理论称为问题的物理学根本没有沙文主义。我们只需要把这个词从它的部门定义和随之而来的学术地盘之争中拯救出来。

Y（Y）你可以把这些对物理学中更为熟悉的概念的生物学的入侵视为另一个例子，说明在一个领域发展的科学思想可以在另一个领域产生相关性。

但问题远不止如此，用学科间的相声（或边境突袭）来形容并不能抓住全部真相。我们需要超越迈尔（Mayr）那样的划定和捍卫边界的企图。

物理学家们习惯于表扬同龄人对“问题的物理学”的洞察力，这听起来可能有些奇怪。除了思考“问题的物理学”之外，物理学家还能做什么？但这其中有一个误解。这里所表达的是一种超越数学描述或这种或那种交互的细节的能力，并能找出所涉及的基本概念——通常是非常一般的概念，这些概念可以用非数学的、甚至是口语的语言简明扼要地表达。从这个意义上讲，物理学既不是一套固定的程序，也不是针对某一类学科的。它是一个思考世界的方式：组织因果关系的方案。

我们还不太清楚生物学物理将由什么组成。但没有它，我们就无法理解生活。

这种想法可以来自任何科学家，无论他或她的学术标签。雅各布和莫诺德看到反馈过程是基因调控的关键，因此与控制论和控制理论建立了联系，他们展示了这一点。这是发展生物学家汉斯·梅恩哈特（Hans Meinhardt）在20世纪70年代所做的事情，当时他和他的同事阿尔弗雷德·吉勒（Alfred Gierer）解开了图灵结构的物理学。这些是自发的模式，出现在扩散化学物质的数学模型中，该模型由数学家阿兰·图灵（Alan Turing）于1952年设计，用于解释胚胎中形式和秩序的产生。Meinhardt和Gierer确定了图灵数学的物理基础：自我生成的“激活剂”化学物质与抑制其行为的成分之间的相互作用。

一旦我们越过了物理学的部门定义，其他学科周围的墙就会变得更加多孔，产生积极的影响。迈尔认为，生物因素是由目标驱动的，而非无生命物体，这一观点与对生物信息的粗略解释密切相关，生物信息源于一切都从DNA开始的观点。正如迈尔所说，“生活世界中没有一种现象或过程不受基因组中遗传程序的控制。”

这种“DNA沙文主义”，有时被称为“DNA沙文主义”，导致了迈尔错误地将其归因于物理学的还原论和决定论，而生物学的物理学正在破坏这种还原论和决定论。因为即使我们认识到（我们必须承认）DNA和基因确实是生命进化和生存细节的核心，也需要一个更广泛的画面，其中维持生命的信息不仅仅来自DNA数据库。这里的关键问题之一是因果关系：信息流向何方？现在有可能量化这些因果关系问题，这揭示了普遍的自下而上图景的不足。

威斯康星大学麦迪逊分校的神经学家朱利奥·托诺尼和同事们设计了一个由相互作用的成分组成的复杂系统的通用模型，这些成分可能是神经元或基因，他们发现有时系统的行为并不是以自下而上的方式引起的，但组件之间的组织层次更高。^三

萨拉·沃克（Sara Walker）、保罗·戴维斯（Paul Davies）及其同事最近对酵母基因网络中的信息流进行的分析证实了这一点。⁴研究表明，在这种情况下，确实可能涉及到“向下”的因果关系。¹戴维斯及其同事认为，自上而下的因果关系可能是生命物理学的一个普遍特征，它可能在进化的一些重大转变中发挥了关键作用，⁵例如遗传密码的出现，复杂的分隔细胞（真核生物）的进化，多细胞生物的发展，甚至生命本身的起源。⁶他们说，在这样的关键点上，信息流可能改变了方向，从而使组织高层的过程影响和改变了低层的过程，而不是一切都由基因层面的突变“驱动”。

这项工作以及瓦格纳、舒斯特和艾根的工作表明，只有当我们更好地掌握信息本身的物理特性时，才能充分理解DNA和遗传网络与生物的维持和进化的联系方式。⁷

一个恰当的例子是，观察到生物系统经常在物理学家所称的临界相变或临界点附近运行：处于两种组织模式（一种有序，另一种无序）之间切换的边缘状态。临界点在磁性、液体混合物和超流体等物理系统中是众所周知的。普林斯顿大学从事生物问题研究的物理学家威廉·比亚莱克（William Bialek）和他的同事蒂埃里·莫拉（Thierry Mora）在巴黎高等师范学院于2010年提出，从鸟类群居到大脑中的神经网络，以及蛋白质中氨基酸序列的组织，各种各样的生物系统，也可能接近临界状态。⁸

比亚莱克和莫拉说，通过在接近临界点的情况下运行，系统会经历巨大的波动，从而可以使用各种不同配置的组件。因此，莫拉说，“关键可能会赋予必要的灵活性，以应对复杂和不可预测的环境。”此外，近关键状态对环境中的扰动具有极强的响应能力，这会在整个系统中产生涟漪效应。这可以帮助生物系统非常迅速地适应变化：例如，一群鸟或一群鱼可以非常迅速地对捕食者的接近做出反应。

关键性还可以提供信息收集机制。意大利帕多瓦大学（University of Padova）物理学家阿莫斯·马里坦（Amos Maritan）及其同事已经证明，一系列“认知因素”（例如，它们可能是个体有机体或神经元）的临界状态允许系统“感知”围绕着它发生的事情：对其环境和环境的一种“内部地图”进行编码，就像河流网络对周围地形的地图进行编码一样。⁹Maritan说：“处于临界状态为系统提供了最佳的灵活性和进化优势，以应对和适应高度多变和复杂的环境。”。越来越多的证据表明，大脑、基因网络和动物群确实是这样组织的。批评可能无处不在。

E类像这样的例子给了我们信心，生物学确实有它的物理原理。比亚莱克对生物学太混乱的常见说法没有耐心，正如他所说的那样，“可能有一些不可挽回的马虎行为，我们永远无法控制。”¹⁰他相信，可能会有“一种生物系统的理论物理学，其预测能力已成为物理学其他领域的标准”。没有它，生物学就有可能成为奇闻轶事和偶然事件。我们可以相当肯定的一件事是，生物学不是这样的，因为它只是不如果是的话，就工作吧。

我们还不太清楚生物学物理将由什么组成。但是，没有它，我们就无法理解生命。它肯定会对基因网络如何在不断变化的环境中产生健壮性和适应性有所说明，例如，为什么有缺陷的基因不一定是致命的，为什么细胞可以以稳定、可靠的方式改变其特性而不改变其基因组。它应该揭示为什么进化本身既是可能的，也是创造性的。

说物理学没有边界与说物理学家可以解决一切不同。他们也是在一个学科内成长起来的，当他们走出校门时，他们和我们一样容易犯错。问题不在于谁“拥有”科学中的特定问题，而在于开发有用的工具来思考事物是如何工作的——这是亚里士多德在两千多年前试图做的。物理不是物理系发生的事情。世界真的不在乎标签，如果我们想了解它，那么我们也不应该。

菲利普·鲍尔是《看不见：看不见的危险诱惑还有许多关于科学和艺术的书。

工具书类

1.Pigluicci，M.生物学与物理学：科学的两种方式？www.ThePhilosophersMag.com(2015).

2.Perunov，N.、Marsland，R.和England，J.适应的统计物理学。arXiv:1412.1875（2014）。

3.Hoel，E.P.、Albantakis，L.和Tononi，G.量化因果涌现表明宏观可以战胜微观。美国国家科学院院刊 110, 19790-19795 (2013).

4.Walker，S.I.、Kim，H.和Davies，P.C.W.细胞的信息架构。英国皇家学会哲学汇刊A 374(2016). 检索自：DOI:10.1098/rsta.2015.057

5.Walker，S.I.、Cisneros，L.和Davies，P.C.W.进化过渡和自上而下的因果关系。arXiv:1207.4808（2012）。

6.Walker，S.I.&Davies，P.C.W.生命的算法起源。英国皇家学会杂志 10(2012). 检索自：DOI:10.1098/rsif.2012.0869

7.“DNA作为信息”主题期刊由Cartwright，J.H.E.，Giannerini，S.和Gonzalez，D.L.编辑。英国皇家学会哲学学报A 374(2016).

8.Mora，T.&Bialek，W.生物系统处于临界状态吗？统计物理杂志 144，268-302（2011年）。

9.希尔达尔戈，J。，等。基于信息的适应性和生命系统中关键性的出现。美国国家科学院院刊 111, 10095-10100 (2014).

10.Bialek，W.《物理学和生物学界面上的理论观点》。arXiv:1512.08954（2015）。