? Anna Ruch

利維坦按：

當(dāng)我們說，“原子有內(nèi)在體驗嗎”，相信很多人會說：當(dāng)然沒有。那么，如此眾多的、沒有體驗的原子組成了我們的大腦，為什么就具備了意識的主觀體驗了呢？

盡管我們不甚了解意識和復(fù)雜人類經(jīng)驗如何從物質(zhì)大腦中產(chǎn)生的，但我們已知的許多現(xiàn)象，在其中，復(fù)雜系統(tǒng)的行為通常在系統(tǒng)的個體物質(zhì)層面并不顯著，且無法被理解。這種行為被稱為“涌現(xiàn)現(xiàn)象”（emergent phenomena），比如天空中椋鳥群的飛行模式：

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我們可以將我們的大腦想象成是擁有1000億只椋鳥般的神經(jīng)元集群。我們可以完全了解單個神經(jīng)元的工作原理，例如電離子如何通過神經(jīng)元細(xì)胞膜進行交換的，電流又是如何通過神經(jīng)元傳輸?shù)?，以及兩個神經(jīng)元之間如何通過化學(xué)方式連接的，但我們?nèi)匀粺o法填補所有關(guān)于神經(jīng)元集合如何產(chǎn)生我們稱之為“意識”這個感覺的空白。

不過，神經(jīng)科學(xué)向我們表明，意識在人類大腦這樣高級大腦中的涌現(xiàn)，雖然遠(yuǎn)比椋鳥群復(fù)雜，但它們卻沒有實質(zhì)區(qū)別。尤其是：意識是從數(shù)以億計的神經(jīng)元的集體交互中涌現(xiàn)的，而非受到了任何“特異”功能或是超自然力量的加持。

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)獎頒給了與黑洞、宇宙學(xué)或奇異的新亞原子粒子無關(guān)的發(fā)現(xiàn)，而是關(guān)于人工智能的研究。這個學(xué)科的最高獎項怎么能頒給旨在模仿人腦的機器研究呢？這其中又有什么物理學(xué)可言呢？

在20世紀(jì)的大部分時間里，物理學(xué)家們基本上忽略了生命系統(tǒng)。他們將生物體理解為機器，盡管這些機器是由黏糊糊的分子部件構(gòu)成的。一個名為生物物理學(xué)（Biophysics）的分支領(lǐng)域揭示了這些分子機器背后的具體物理機制。然而，生物體作為一個整體，卻并非他們關(guān)注的重點。

1933年中國醫(yī)學(xué)海報中，將人體比作機械般的工廠。? flickr

但如今，我的許多物理學(xué)同行已經(jīng)不再認(rèn)同這種輕率的否定。相反，我們逐漸相信，在每一種微生物、動物和人類身上，都蘊藏著一個謎團——它挑戰(zhàn)著物理學(xué)家?guī)讉€世紀(jì)以來秉持的基本假設(shè)，并可能解答關(guān)于人工智能的關(guān)鍵問題。它甚至可能有助于為下一代重新定義這個領(lǐng)域。

長期以來，物理學(xué)的核心傲慢在于這樣一種觀念：它是所有科學(xué)中最“基礎(chǔ)”的那一門。物理專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)于現(xiàn)實最基本的內(nèi)容——空間與時間、能量與物質(zhì)——并被告知，所有其他科學(xué)學(xué)科最終都必須被還原為物理學(xué)所提出的基本粒子和定律。這種哲學(xué)被稱為“還原論”（Reductionism）。從牛頓定律開始，到20世紀(jì)的大部分時間里，隨著電子、夸克、相對論等發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，還原論運作得相當(dāng)成功。但在過去幾十年中，物理學(xué)中最具還原主義色彩的分支，其進展已經(jīng)放緩。例如，長期被寄予厚望的“萬有理論”，如弦理論，并未結(jié)出實質(zhì)性的成果[1]。

然而，在宇宙中思考“什么是基礎(chǔ)的”，并非只有還原論這一條路徑。從20世紀(jì)80年代開始，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，用來研究所謂的“復(fù)雜性”（Complexity）——即整體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其各部分之和的系統(tǒng)。還原論的最終目標(biāo)，是將宇宙中的一切解釋為粒子及其相互作用的結(jié)果；而復(fù)雜性則承認(rèn)，當(dāng)大量粒子聚集在一起，形成諸如生物體這樣的宏觀事物時，僅僅了解粒子本身，并不足以理解現(xiàn)實。

物理學(xué)家菲利普·W·安德森（1923-2020）。? Santa Fe Institute

這一方法的早期先驅(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主義視角：“多即不同”（More is different）。復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)在21世紀(jì)迅速發(fā)展，該領(lǐng)域的研究者也于2021年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

從物理學(xué)家的角度來看，沒有任何復(fù)雜系統(tǒng)比生命更古怪、也更具挑戰(zhàn)性。首先，生命物質(zhì)的組織方式違背了物理學(xué)家對宇宙的通常預(yù)期。你的身體由物質(zhì)構(gòu)成，和宇宙中的一切其他事物并無不同；但你今天所由之構(gòu)成的原子，一年后將不再是同一批原子。這意味著，你和所有其他生命體都不是像巖石那樣的惰性物體，而是一種在時間中展開的動態(tài)模式。

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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)以一種奇異的循環(huán)方式同時創(chuàng)造并維持自身，這是任何現(xiàn)有機器都無法復(fù)制的。以細(xì)胞膜為例，它通過允許某些化學(xué)物質(zhì)進入、阻止另一些進入，使細(xì)胞得以存活。細(xì)胞創(chuàng)造并持續(xù)維持著細(xì)胞膜，但細(xì)胞膜本身又是一種“過程”，正是這一過程構(gòu)成了細(xì)胞本身。

這種“先有雞還是先有蛋”的問題，挑戰(zhàn)了舊物理學(xué)的夢想：一旦宇宙中的基本粒子被全部編目，其他一切就都可以被明確描述并加以預(yù)測。給我一顆年輕的恒星，我就可以運用還原論的物理定律來預(yù)測它的未來：它將存活100萬年而不是10億年；它會以黑洞的形式終結(jié)，而不是成為一顆白矮星。

但生命體的組成部分卻會產(chǎn)生全新的、出乎意料的東西，這種現(xiàn)象被稱為“涌現(xiàn)”（emergence）。給我一顆來自地球早期歷史的簡單細(xì)胞，我永遠(yuǎn)無法預(yù)測，在大約40億年之后，它會進化成一只能夠朝你臉上揮拳的巨型兔子。袋鼠——和人類一樣——是生命演化中不可預(yù)測的、涌現(xiàn)性的結(jié)果。

支配物質(zhì)和能量的基本定律，無法預(yù)測生命的另一項基本屬性：生命是宇宙中唯一一個會為了自身目的而使用信息的系統(tǒng)。植物向著光生長，微生物朝著富含養(yǎng)分的食物源游動，動物躲避捕食者，人類把巨大的金屬裝置送入外太空。當(dāng)然，人們可以編程讓一個機器人在電量不足時去尋找墻上的插座，但必須由某個生命體（例如一名人類程序員）將這種需求硬編碼進機器中。相比之下，生命本身既具有行動主體性，又是自主的。從微生物到螃蟹再到人類，所有生命體都有各自想要滿足的需求。

要真正理解生命系統(tǒng)作為自組織、自主主體的本質(zhì)，物理學(xué)家需要摒棄“只關(guān)注粒子”的思維模式。物理學(xué)家的一項偉大才能——從簡單組成部分（如原子）的定律出發(fā)，一路推演到復(fù)雜整體——無法完全解釋細(xì)胞、動物或人類。幸運的是，這一領(lǐng)域還有另一項基本技能可以提供幫助：一種提出問題并構(gòu)建模型以作出預(yù)測的獨特方式。物理學(xué)家一向擅長抓住系統(tǒng)的本質(zhì)特征，并將這些本質(zhì)用數(shù)學(xué)語言表達(dá)出來。通過細(xì)胞膜流動的有用能量有多少？哪種神經(jīng)元排列方式，能夠最大化扁形蟲神經(jīng)系統(tǒng)中的信息量？如今，這些技能必須被用于一個古老的問題——一個直到現(xiàn)在才真正獲得應(yīng)有重視的問題：什么是生命？

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運用這些技能，物理學(xué)家——與構(gòu)成復(fù)雜性科學(xué)的所有其他學(xué)科的研究者共同合作——或許能夠揭開這樣的問題：生命在數(shù)十億年前是如何在地球上形成的，以及生命如何在如今我們能夠借助尖端望遠(yuǎn)鏡探索的遙遠(yuǎn)外星世界中形成。同樣重要的是，理解生命作為一種有組織的系統(tǒng)，為何在根本層面上不同于宇宙中的其他一切，可能會幫助天文學(xué)家設(shè)計出新的策略，在那些與地球幾乎毫不相似的地方尋找生命。將生命——無論多么陌生——分析為一種自組織、由信息驅(qū)動的系統(tǒng)，或許將成為在數(shù)百光年之外的行星上探測生命跡象的關(guān)鍵。

在更貼近我們自身的層面上，研究生命的本質(zhì)，很可能也是充分理解智能——并構(gòu)建人工版本的智能——所必不可少的。在當(dāng)前這場人工智能熱潮中，研究者和哲學(xué)家一直在爭論：大型語言模型是否、以及何時，能夠?qū)崿F(xiàn)通用智能[2]，甚至獲得意識[3]——或者事實上，它們是否已經(jīng)達(dá)到了這一點。要恰當(dāng)?shù)卦u估這些主張，唯一的辦法是以一切可能的方式研究那個唯一被普遍認(rèn)可的通用智能來源：生命。將關(guān)于生命的新物理學(xué)引入人工智能問題，不僅可能幫助研究者預(yù)測軟件工程師能夠構(gòu)建什么；它還可能揭示，試圖在硅中捕捉生命本質(zhì)特征的努力，其極限究竟在哪里。

隨著21世紀(jì)的繼續(xù)展開，我的物理學(xué)同行無疑將繼續(xù)推進對黑洞、量子力學(xué)以及其他傳統(tǒng)領(lǐng)域的研究。然而，對生命的研究將把我們帶到前所未想之地，為這一學(xué)科的未來開辟一條新道路——而這一次，它將與生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和社會學(xué)家站在真正平等的起跑線上。在最佳情況下，對生命本質(zhì)這一根本問題的追求，可能不僅會引領(lǐng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)奇觀，還可能帶來一種全新的科學(xué)實踐方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=14200

[2]www.theatlantic.com/technology/2025/12/neurips-ai-bubble-agi/685250/

[3]www.theatlantic.com/technology/2025/10/ai-consciousness/683983/

文/Adam Frank

譯/天婦羅

校對/兔子的凌波微步

原文/www.theatlantic.com/science/2025/12/physics-life-reductionism-complexity/685257/

本文基于創(chuàng)作共享協(xié)議（BY-NC），由天婦羅在利維坦發(fā)布

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