作者：Chris Kempes?&Van Savage

翻譯：Nothing

審校：loulou

如果你和正在準(zhǔn)備理科考試的中學(xué)生交談，他們會這樣說：他們比較懼怕物理學(xué)而更容易接受生物學(xué)。但是科研人員往往持相反的觀點(diǎn)。他們一般認(rèn)為物理學(xué)是簡單的，因?yàn)樵谖锢韺W(xué)中可以提出很完善并且具有強(qiáng)大預(yù)言能力的理論。這些理論可以包羅萬象，從微觀粒子的存在到光被恒星彎曲等等各種現(xiàn)象。但是，對于生物學(xué)來說很難提出這樣優(yōu)美的理論和數(shù)學(xué)公式。因此，一些著名的思想家認(rèn)為細(xì)胞和叢林要比遙遠(yuǎn)的難以觀測的黑洞更加難理解。

但是也許不存在簡單或者困難的學(xué)科，只存在簡單或者困難的問題。生物學(xué)看起來這么困難是因?yàn)樗梢幌盗蟹浅＠щy的問題構(gòu)成。物理學(xué)看起來簡單是因?yàn)榻?jīng)過大批天才的思想家的努力，物理學(xué)中的問題已經(jīng)變成一系列可回答的問題。

有意思的是，正是我們和生物學(xué)的緊密聯(lián)系使得生物學(xué)如此具有挑戰(zhàn)性。你可以問問自己：你的戀愛對象和同事相比，誰更容易理解？我們與生物學(xué)以及心理學(xué)和社會科學(xué)的密切關(guān)系，使我們能夠用已有的深刻認(rèn)識來探討這些現(xiàn)象。因此我們會問非常細(xì)節(jié)的問題，然后就會驚訝于一些看似神秘或矛盾的答案。

在森林里散步時(shí)，我們可以看到形狀奇特的楓葉。這可能會讓我們想知道為什么楓葉會有裂葉，為什么它們在秋天會變紅，落葉里生活著哪些昆蟲，它們是如何分解又如何滋養(yǎng)土壤。盡管我們問這些問題很自然，但它們卻很復(fù)雜。相比之下，太空中大范圍冰冷的真空和肉眼無法看到的小夸克對我們來說是如此陌生，以至于在最開始，只要能證明他們的存在就足以讓我們感到自豪。

過度的熟悉有時(shí)也會妨礙我們對物理學(xué)的理解。行星如何運(yùn)動是人類最古老的困擾之一，這個(gè)問題出現(xiàn)在許多不同的神話中。然而，由于人類的堅(jiān)持，長期以來，本輪說錯(cuò)誤地將地球置于宇宙的中心——這一錯(cuò)誤持續(xù)了大約2000年。直到這個(gè)問題在牛頓的學(xué)說中被抽象為關(guān)于力、質(zhì)量和引力的問題時(shí)，行星的運(yùn)動才變得容易預(yù)測和理解。

對于物理學(xué)家來說，仍然有許多問題難以回答。如果物理學(xué)打算致力于預(yù)測何時(shí)出現(xiàn)下一次可以影響地球通訊的太陽耀斑上，那么它將被視為一門更加復(fù)雜和困難的學(xué)科。為什么？因?yàn)橐雽μ柋砻娴膭恿W(xué)機(jī)制進(jìn)行建?！ㄋ械囊Α㈦姶拧岷秃朔磻?yīng)過程——是極其棘手的。至于行星的運(yùn)動，我們可以通過忽略其他天體的影響，從而對行星的軌道給出一個(gè)足夠好的描述。但是如果真的想研究其中的細(xì)節(jié)，我們很快就會發(fā)現(xiàn)我們甚至不能準(zhǔn)確地預(yù)測三個(gè)質(zhì)量相等的星體的運(yùn)動。同樣地，在混沌理論中，我們知道我們只能粗略估測兩個(gè)耦合在一起時(shí)的鐘擺的位置，不能確切的說出每個(gè)鐘擺究竟在哪里。

也許我們對生物學(xué)提出的問題太難了。我們?nèi)绾尾拍苷纫粋€(gè)人的生命？為什么這個(gè)藍(lán)罐鳥比另一個(gè)顏色稍微暗一點(diǎn)？但并不是因?yàn)槲覀儗ι飳W(xué)的要求更高，就意味著我們不能提出稍微簡單一點(diǎn)的問題。事實(shí)上，利用“簡單”的物理學(xué)可以幫助我們找到這些問題的答案。物理學(xué)家特別擅長尋找普遍的、大范圍的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象存在于多種系統(tǒng)中，并且可以被相同的機(jī)制解釋。

以生物尺度的概念為例。這個(gè)概念來自于早期的觀察，哺乳動物的代謝率與體型呈現(xiàn)非線性關(guān)系并且可以通過冪率進(jìn)行預(yù)測。冪律是一種數(shù)學(xué)關(guān)系，它告訴我們當(dāng)系統(tǒng)的大小增加時(shí)(即以某個(gè)數(shù)的倍數(shù)，通常是10的倍數(shù))，我們關(guān)心的特征會發(fā)生多大的變化。因此，當(dāng)一個(gè)生物的體重增加1000倍時(shí)，生物尺度的原理準(zhǔn)確地預(yù)測它的代謝率將增加100倍。

但是，同樣的數(shù)學(xué)原理怎么能應(yīng)用到像兩個(gè)物體之間的引力這樣簡單的情形和不同棲息地物種形成的混亂過程中？在物理學(xué)中，冪律指的是在所有尺度上運(yùn)行的相同的機(jī)制和對稱性。在生物學(xué)上，我們自己的研究——以及韋斯特、布朗和恩奎斯特的研究——表明起作用的基本機(jī)制是血管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和流動。事實(shí)證明，血管往往能有效地跨越身體，將資源輸送給生物的所有細(xì)胞，同時(shí)減輕心臟的壓力。這個(gè)簡單的看法衍生出越來越多成功的理論，它們使用一個(gè)優(yōu)化生物結(jié)構(gòu)的概念來預(yù)測現(xiàn)象，比如大樹在森林中如何分布，我們需要多長時(shí)間的睡眠，腫瘤的增長速度，細(xì)菌的最大和最小尺寸，樹的最大高度。

然而，生物學(xué)也會產(chǎn)生自己獨(dú)特的問題。例如，正如我們在圣達(dá)菲研究所的同事弗萊克和克拉考爾所表明的那樣，agent(如靈長類動物、神經(jīng)元和黏菌)的信息處理和決策能力導(dǎo)致了不同于純粹物理系統(tǒng)的獨(dú)特的反饋類型、適應(yīng)性和因果關(guān)系。生物系統(tǒng)的額外復(fù)雜性是否可以通過信息論等受物理學(xué)啟發(fā)的觀點(diǎn)來解釋還有待考察。也許生物學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)的研究總有一天會遇到不可逾越的困難——或者，對這些難題進(jìn)行巧妙重構(gòu)將解決當(dāng)前的挑戰(zhàn)。這可能會為找到更簡單的答案提供一條道路，就像查爾斯·達(dá)爾文(Charles Darwin)那樣，他從自然選擇和變異的角度，重新構(gòu)造了有關(guān)生命起源和多樣性的問題。

物理學(xué)家菲利普·安德森(Philip Anderson)在1972年發(fā)表的文章《多者異也(More Is Different)》中，強(qiáng)調(diào)了試圖將一切事物都還原為微觀層次的局限性。相反，他關(guān)注的是不同尺度下的自然現(xiàn)象的復(fù)雜性——比如從量子力學(xué)轉(zhuǎn)換到化學(xué)。然而，讀者經(jīng)常忽略他關(guān)于有效理論的觀點(diǎn)，他認(rèn)為有效理論應(yīng)該建立在可以解釋系統(tǒng)的基本原理的基石上，無論這塊基石是描述大尺度還是中尺度的現(xiàn)象。

根據(jù)后一種觀點(diǎn)，我們不知道黑洞是否比森林簡單。我們不可能知道答案，除非我們有一個(gè)普遍有效的理論來解釋森林的存在，或者直到我們能夠觀察到黑洞坍縮和消失的最詳細(xì)的動力學(xué)。如果不徹底定義不同系統(tǒng)中不同問題的類型，就不可能做出關(guān)于相對復(fù)雜性的任何結(jié)論?？赡苡心承╊愋偷膯栴}的答案在我們的認(rèn)知范圍以外，但這更多的是關(guān)于我們提出的問題，而不是系統(tǒng)本身。

所以物理學(xué)可以是困難的，生物學(xué)也可以是容易的。困難的程度更多地取決于所問的問題而不是取決于哪個(gè)領(lǐng)域。在復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)中，常用兩種方法進(jìn)行研究：一個(gè)方法是先解決簡單的問題，然后用我們的結(jié)果來尋找一些基本原則，當(dāng)涉及到更詳細(xì)的問題和理論時(shí)，這些原則往往是有用的。從簡單的問題開始積累答案，之后可以慢慢地轉(zhuǎn)向到困難的問題?；蛘?，在相反的方向上，考察不同學(xué)科中的現(xiàn)象之間奇怪的相似性，這可能會促使我們找到全新的機(jī)制和原則。我們的同事約翰·米勒(John Miller)引用諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家默里·蓋爾曼(Murray gel - mann)的書《關(guān)于世界粗略的見解（A Crude Look at the Whole）》中的話說。這些粗糙的外表——被對物理學(xué)的陌生所掩蓋，被對生物學(xué)的熟悉所遮蔽——在未來的歲月里，應(yīng)該會給科學(xué)帶來更多深刻的見解和簡化。

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原文鏈接：

https://aeon.co/ideas/when-science-hits-a-limit-learn-to-ask-different-questions

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