载2024年10月23日《中华读书报》
当物理学家“看见”生命
李月白
“生命=物质+信息”，这是保罗·戴维斯在他的著作《信息、生命与物理学》中提出的观点。以我们常规印象而言，这种大胆的观点与表述方式更像是民间科学探讨的内容，而保罗·戴维斯却是一位货真价实的理论物理学家及宇宙学家。他34岁便获得了教授职位，目前任职于美国亚利桑那州立大学。![]()
除学术界的职务外，戴维斯还有另外两个身份，“地外智慧生物搜寻（SETI）”计划侦测后任务小组负责人，以及多产的科普作家。这一身份组合不禁让人想起他的前辈——卡尔·萨根，一位同样精力旺盛、才华横溢的天体物理学家、宇宙学家。萨根不仅是“地外智慧生物搜寻（SETI）”计划的发起者之一，也是成功的科普作家，他还涉足科幻小说领域，撰写了一部描述女科学家通过SETI行动与高等外星文明成功接触的小说，该作品于1997年被好莱坞知名导演罗伯特·泽米吉斯改编成同名电影《接触》。与卡尔·萨根相似的是，戴维斯也在科普领域展现了卓越的跨界才华，并凭借其在科学传播方面的贡献获得了尤里卡奖、英国皇家学会法拉第奖等多项荣誉。《信息、生命与物理学》是他继《上帝与新物理学》、《宇宙的最后三分钟》及《关于时间：爱因斯坦未完成的革命》等之后的又一部通俗科学佳作。该书试图探讨生命本质，寻求物理学与生物学的统一，属于“复杂性科学”范畴。然而，若读者期望在此书中找到对“生命=物质+信息”这一观点的科学论证，恐怕会感到失望。戴维斯并未采取严密的逻辑推理来证明其论点，而是选择从物理学视角出发，串联起不同领域科学家对生命复杂性的见解与探索，引导读者在跟随这一旅程的过程中思考，并逐渐得出结论。跳出物理规律的生物学
如果要理解戴维斯书中探讨的要义，那势必离不开物理学中一个著名的定律——热力学第二定律。热力学第二定律又称熵增定律。熵，是表征系统混乱程度的物理量。在目前人类已知的所有物理学定律中，热力学第二定律都是足够特别的存在。它不仅令爱因斯坦、麦克斯韦、薛定谔等大科学家痴迷不已，甚至还在文艺青年群体中一度盛行。王小波在其小说《白银时代》中就反复提及这一定律，而美国后现代主义文学代表作家托马斯·品钦更将“熵”的概念引入他几乎每一部长篇作品中，包括《V》《拍卖第49批》《万有引力之虹》《抵抗白昼》等等。热力学第二定律何以具有这样大的魅力？其根本在于，这一定律揭示了自然界中所有涉及热现象的宏观过程都具有方向性，即不可逆性。这一定律勾画了一个悲观的宇宙图景，因为当宇宙中的一切状态改变都向着一个方向时，全宇宙必然要不断地趋近于一个极限状态。热力学第二定律有多种不同表述方式，一种常用表述是：随着时间的发展，一个孤立系统的无序和混乱程度（即熵）将不可避免地增加，而不会降低。根据该定律推论，如果将我们所在的宇宙视为一个孤立系统，那么宇宙间万物的自然演变趋势将普遍倾向于衰败与无序。然而，热力学第二定律并不能完美解释生命的奇迹。生命由细胞发育而来，意味着从无序中产生有序。生物进化的整体趋势是由简单到复杂，由低级到高级，这一走向与预示着普遍衰退的热力学第二定律全然相反。那么，是什么造成了生命的奇迹？这即是本书议题的由来。戴维斯试图探讨生命的本质，并回答是什么让生物拥有了完全不同于其他物理系统的独特性。在《信息、生命与物理学》一书的扉页中，他引用了一位由理论物理学转行研究生物学，后来获得了诺贝尔生理学或医学奖的科学家——马克斯·德尔布吕克的文字：“人们一直很好奇……想要更清楚地知道，同样的物质何以能在物理和化学上呈现出有序、可复制、相对简单的属性；但一旦被拉入生物体的轨道，它又何以能用最令人惊讶的方式组织自身。一个人越是仔细观察生物体中这些物质的表现，就越是会对它们印象深刻。哪怕是最微不足道的活细胞，也是一个不可思议的迷箱，里面装满了精巧的、处于变化中的分子。”
生命本身就是奇迹，但奇迹并非意味着不能被解读。戴维斯相信，有一种新物理学原理正孕育在生物体的深处，这种新物理能让物质与信息、整体与部分、简单与复杂交织在一起。“复杂性科学”的出现
在18世纪以前的很长一段时间里，自然科学几乎等同于物理学。近代物理学伴随西方文艺复兴运动而兴起，历经哥白尼、开普勒、伽利略等人的探索，至牛顿手中完成了经典力学体系的统一，标志着人类解释自然方面的巨大成就。尽管化学、生物学作为自然科学的一门独立学科在18世纪逐渐开始建立，但在体系成熟度和理论完善性上仍远不能与物理学相比。物理学发展至19世纪末，已经是一门近乎完善的科学，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，一切物理现象几乎都能够从相应的理论中得到回答。以至于20世纪初，著名物理学家威廉·汤姆森（开尔文勋爵）在英国皇家学会演讲中说道，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。只是，物理学晴朗的天空中尚有两朵乌云……后来的发展我们都已经知道，这两朵“乌云”最终酿成了量子力学与相对论的“风暴”，带来了20世纪物理学领域的深刻变革。事实上，这场发生在世纪之交的物理学危机的意义远不止于如此。量子力学带来的哲学困扰，挑战了经典物理学中确定性和因果律的传统观念，不仅打破了经典物理学的逻辑框架，更将世界复杂而微妙的一面展现在物理学家面前。本书中频繁提及的薛定谔都柏林演讲，正是这场物理学深刻变革所激起的持续回响与反思。薛定谔是量子力学领域的奠基人，也是1933年诺贝尔物理学奖的获得者。1943年，他在都柏林圣三一学院发表了一系列题为《生命是什么？》的演讲，并在演讲中抛出了一个深刻的问题：“发生在生物体空间边界的时空事件，如何用物理学和化学来解释？”这句话的意思是，生命物质展现出了高度的秩序与规律性，然而，他们是怎样抵消热力学的无序性倾向的，尚未可知。薛定谔认为，在生命领域或许存在着尚未被发现的物理学定律，正如在微观领域有不同于宏观领域的量子理论一样。薛定谔的言论吸引了更多物理学家将目光投向生物学，他们不仅在生命科学领域更加直观地看见了自然界的复杂性，而且也准备好了进行一场旷日持久的攻坚战。1969年，比利时物理化学家普利高津在国际“理论物理与生物学会议”上提出了“耗散结构理论”，这一理论旨在解释热力学第二定律在生物体等复杂系统中的应用与表现。普利高津的理论指出，虽然孤立系统的无序程度不可能减少，但对于开放系统来说，可以通过与外界交换物质和能量，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。在普利高津之后，德国激光物理学家哈肯，以及生物物理学家艾根分别提出了“协同论”以及“超循环理论”等模型来解答生物等复杂系统从无序到有序的演化过程。在《信息、生命与物理学》一书中，戴维斯同样提出了他对于生命这一复杂系统的解答。他认为，生命的秘密武器其实就是信息，信息能帮助生命减少不确定性，使其脱离无序，与非生命区分开来。在达尔文进化论的基础上，戴维斯又提出了一个叫“达尔文学说2.0”的新理论。他指出，生物的进化不仅发生在生物体的物质层面（硬件），也发生在信息层面（软件），而串联起生物体物质复杂性的，正是更令人惊叹的信息复杂性。阅读戴维斯的著作，不免让人惊叹其涉猎领域之广泛。《信息、生命与物理学》一书融合了生物学、经典物理学、量子力学、信息科学、计算机与人工智能等多个学科的历史与前沿成果，事实上，这也正是当代复杂性科学研究的一个显著特征。复杂性科学是20世纪以来物理学发展的一个新的阶段，其研究灵感起源于生物学，而后又逐渐延展到计算机科学、经济学和社会学等领域，旨在通过多学科交叉研究，理解复杂系统的普遍演化规律，即“涌现现象”。以生物学为例，单个基因或细胞的行为或许相对简单，但当它们协同作用时，却能孕育出生命体这一复杂而有序的整体，这便是“涌现”的生动体现。同样，在人工智能的深度学习领域，当神经网络的层数与节点数达到某一临界值时，网络会陡然展现出强大的学习与泛化能力，这也是“涌现”的一种表现。正如物理学家普朗克所说：“科学是内在的整体，它被分解为单纯的部门不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性。实际上存在着从物理到化学，从生物学和人类学到社会学的连续的链条，这是任何一处都不能被打断的链条。” 2024年诺贝尔物理学奖的争议
在《信息、生命与物理学》最后一章中，戴维斯的探索领域跨越到了大脑与神经网络，试图追寻意识与物质联结的答案。意识是否产生于大脑之内？事实上，我们并不能通过逻辑推理来得出这一结论。作者援引了《黑客帝国》的例子，我们以为的“真实世界”可能只是一个由真实世界中超级计算机构建的精细虚拟现实。人类或许只是模拟意识的组件，而对背后的模拟者一无所知。这一假说事实上也为我们如何研究意识与生命提供了哲学支持。鉴于我们身处“内部世界”，可能竭尽所能亦无法洞悉我们意识的源头和生命的真谛，那么，不妨先尝试利用计算机模拟意识，创造像人一样思考的机械生命。这或许能成为我们达到最终目标的一条可行路径。写到这里，我不禁联想到了2024年诺贝尔物理学奖的争议。10月8日，该奖项揭晓，约翰·霍普菲尔德和杰弗里·辛顿因在人工神经网络和机器学习方面的基础性贡献而获奖。这一结果在网络上引发了广泛讨论，争议的焦点在于人工智能和机器学习的领域是否应被视为物理学的一部分。有人戏称“物理学不存在了”，也有人坚持认为计算机科学与信息科学的成果不应占据物理学奖的空间。物理学是研究自然现象的学问。但自20世纪中叶起，传统物理学领域已鲜有重大突破。斯蒂芬·霍金称21世纪为复杂性科学的世纪，正如本书所示，物理学、生物学、信息科学及人工智能等多学科早已交融在一起，构成了如今物理学家眼中复杂的客观世界。从量子力学的角度来说，或许，当物理学家“看见”生命的那一刻，2024年诺贝尔物理学奖的结果就已经注定。《信息、生命与物理学》，（英）保罗•戴维斯著，王培译，中信出版集团2024年7月第1版，定价：79.00元
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