《大西洋月刊》一 物理學再也無法忽視的真相

The Truth Physics Can No Longer Ignore

生命體的根本性質，正挑戰物理學家幾個世紀以來所秉持的假設。

作者：亞當‧弗蘭克（Adam Frank）

2024年10月8日，物理學界陷入了一場爭議。當天，諾貝爾物理學獎被授予了一項與黑洞、宇宙學或奇異的新亞原子粒子毫無關係的研究——而是關於人工智慧（AI）。物理學最高榮譽為何會頒給旨在模仿人類大腦的機器研究？這當中究竟還有沒有「物理學」？

在整個20世紀的大部分時間裡，物理學家基本上忽略了生命系統。他們將生物體視為機器——儘管是由黏糊糊的部件構成的。一個名為「生物物理學」的子領域揭示了這些分子機器背後的特定物理機制。然而，作為一個整體的生物體卻從未成為物理學的重點。

但如今，我和許多物理同行已不再認同這種輕視態度。我們逐漸相信，在每一個微生物、動物乃至人類身上，都正展開著一個謎題──它挑戰物理學家數百年來的基本假設，也可能解答有關人工智慧的核心問題。甚至，它還可能為下一代重新定義物理學本身。

長期以來，物理學的核心傲慢在於認為自己是所有科學中最「根本」的學科。物理系學生學習的是現實的基本要素——空間與時間、能量與物質——並被告知，所有其他科學最終都必須還原為物理學所發現的基本粒子和定律。這種哲學被稱為「還原論」（reductionism），從牛頓定律到20世紀的大部分時期都相當奏效：物理學家相繼發現了電子、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進展明顯放緩。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1980年代起，物理學家（以及其他領域的研究者）開始發展新的數學工具，用於研究所謂的「複雜性」（complexity）——即整體遠大於部分總和的系統。還原論的終極目標，是把宇宙中的一切都解釋為粒子及其相互作用的結果；而複雜性科學則認識到，一旦大量粒子聚集形成宏觀事物（例如生物體），僅了解粒子本身已不足以理解現實。這一思路的早期先驅之一是物理學家菲利普·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：「多即是不同」（More is different）。進入21世紀後，複雜系統科學迅速發展，並於2021年獲得諾貝爾物理學獎。

從物理學家的角度來看，沒有任何複雜系統比生命更奇特、更具挑戰性。首先，生命物質的組織方式違背了物理學家對宇宙的常規預期。你的身體和其他物體一樣，由物質構成。但構成你今天的原子，一年後就不再是構成你的原子了。這意味著你和所有其他生命體並非像岩石那樣的惰性物體，而是一種隨時間動態演化的模式。然而，對物理學而言真正的挑戰在於：構成生命的這些模式是「自組織」的。生命系統以一種現有機器無法複製的奇特循環，既創造又維持自身。以細胞膜為例：它透過允許某些化學物質進入、阻止其他物質進入，使細胞得以存活。而細胞不僅創造並持續維護這層膜，這層膜本身也是一個使細胞得以存在的過程。

這種「雞生蛋還是蛋生雞」的困境，動搖了舊物理學的夢想——即一旦宇宙的基本粒子被完整編目，其餘一切都能被明確描述和預測。給我一顆年輕的恆星，我就能用還原論的物理定律預測它的未來：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。但生命體的組成部分卻產生出全新且不可預料的現象，稱為「湧現」（emergence）。給我一個地球早期歷史中的簡單細胞，我絕對不可能預測到大約40億年後，它會演化成一隻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測的、湧現性的結果。

支配物質與能量的基本定律，無法預測生命的另一個根本屬性：它是宇宙中唯一會為了自身目的而使用資訊的系統。植物向光生長，微生物游向營養豐富的區域，動物躲避掠食者，人類則將巨大的金屬裝置送入外太空。誠然，我們可以為機器人編程，讓它在電量低時尋找電源插座，但這種需求必須由生命體（例如人類程式設計師）預先硬編碼進機器中。相較之下，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」要去抓癢。

要真正理解生命系統作為自組織、自主的能動體，物理學家必須拋棄那種「只看粒子就行，女士」的心態。物理學家的一大特長——從簡單部分（如原子）的定律出發，逐步建構複雜整體——無法完全解釋細胞、動物或人類。幸運的是，物理學還有另一項基本技能可資利用：一種獨特的提問方式和建模方法，用於做出預測。物理學家歷來擅長抓住系統的核心特徵，並以數學語言加以表達。例如：有多少有用能量流經細胞膜？扁蟲神經系統中那一種神經元排列能最大化訊息處理效率？現在，這些技能必須被用來處理一個古老卻長期被忽視的問題：什麼是生命？

借助這些技能，物理學家若與其他複雜性科學領域的研究者合作，或許能破解數十億年前地球生命如何起源之謎，也能探索生命在遙遠系外行星上可能的形成方式——這些星球如今可透過尖端望遠鏡進行觀測。同樣重要的是，理解生命作為一種有序系統，為何在根本層面不同於宇宙中的其他一切，或許能幫助天文學家設計出新策略，在與地球截然不同的環境中尋找生命。無論外星生命多麼陌生，只要將其視為一種自組織、以資訊驅動的系統進行分析，就可能成為在數百光年外行星上探測生命跡象的關鍵。

回到地球，研究生命的本質很可能對全面理解智慧——以及建構人工智慧——至關重要。在當前這場AI熱潮中，研究者和哲學家一直在爭論：大型語言模型是否可能、何時可能實現通用智能，甚至具備意識？或者，某些模型是否已經做到了？要適當地評估這些主張，唯一可靠的方法就是盡一切可能去研究公認的通用智能唯一來源：生命本身。將生命的新物理學應用於AI問題，不僅可能幫助研究者預測軟體工程師能建構什麼，還可能揭示試圖用矽基晶片捕捉生命本質特徵的根本限制。

隨著21世紀繼續展開，我的物理同行無疑將繼續推進黑洞、量子力學等傳統領域的研究。但對生命的研究，將帶我們前往從未想像過的地方，為我們的學科開闢一條前所未有的道路——這一次，我們將與生物學家、生態學家、神經科學家和社會學家站在同一片競技場上。若能以最佳狀態追求關於生命本質的根本答案，物理學家不僅可能迎來新的科學奇蹟，還可能開創一種全新的科學研究典範。(邸報)