細菌都是太極大師

麥迪遜·克里格

當我開始研究動物是如何游泳的時候，我覺得自己不是那么像一個物理學家。當時我剛剛獲得了物理學學士學位。在完成學位期間，我經常被這樣教導：物理學家都是在少數流行詞上下功夫的，比如量子力學、宇宙論、規范場論，以及諸如此類的領域。為了看一下研究所是否適合我，我加入了利福尼亞大學圣地亞哥分校的一個研究團隊，開始實習，但是他們的研究與這些流行詞毫不沾邊。他們使用強大的數學工具，來了解諸如蝸牛、蠕蟲以及微生物的運動。

我十分感激他們給予我這次機會，而且我認為，他們研究的問題既迷人又有趣——只不過他們研究的不是基礎物理學罷了。隨著我越來越深入地融入這個團體，這種差別逐漸發展成了一種身份認同危機。理論物理學家有點像某些藝術家或運動員：如果你覺得自己已經離克利（譯者注：指保羅·克利，歷史上最富詩意的造型大師）或佩頓·曼寧（譯者注：美國橄欖球運動員，歷史上最著名的四分衛之一）這些大師級的人物越來越遠了，那么對你的職業生涯來說，似乎就要大禍臨頭了。我想我能感覺到愛因斯坦和費曼（譯者注：美國著名物理學家，1965年諾貝爾物理獎得主）在天上注視著我，以及在看到我轉身走上一條“錯誤”的道路時皺眉的樣子。

要想讓我堅定自己選擇的道路，微生物需要做出一些令人印象深刻的壯舉，證明它們能夠和原子發生猛烈的核聚變一樣令人著迷——它們果然沒有辜負我的期望。有些微生物能夠將它們的DNA以小段甚至是大段的形式發射出去，并且這一過程中的加速度是航天飛機發射時的加速度的大約1000倍；另外一些微生物，則可以與跟它們完全不相干的鄰居分享遺傳信息，從而形成一個“互聯網”。更有趣的是，微生物不服從牛頓定律，而牛頓定律在經典物理學中支配著基本運動，是經典物理學的支柱之一。

這些不同凡響的事實不僅改變了我對細菌的認識，而且改變了我。我開始深思，作為一個物理學家，究竟意味著什么。

微生物在流體環境的體驗，與我們在流體環境的體驗是完全不同的。我們能夠以我們的方式體驗到水，是因為我們有著一定的個頭，能以特有的速度來游泳。物理學家和工程師是以雷諾數來描述水的“感覺”的，對于一個給定的液體，當它以一個給定的速度流動時，雷諾數是慣性力與黏性力（也就是向后拖的那個力）的相對比值。這個數字越大，說明相對于向后拖的黏性力而

言，慣性力占據著主導地位。當雷諾數較大時（至少達到幾百），湍流（就是當快艇快速駛過時，你看到的白色的湍急泡沫）開始起作用。

通過這些你可以推算出人類游泳時的雷諾數，對像我這樣笨拙的游泳者來說也就是不到幾千，對奧運會選手來說要大一些。而對細菌來說，它們的雷諾數只有大約0.001。這意味著，慣性力對細菌的影響只有對人類影響的1/109。

要想重現細菌在水中的體驗，對一個普通身材的人類來說，需要沉浸在糖蜜中以每分鐘約1厘米的速度游泳。在停止的時候，慣性力只能讓他們向前滑行不到1毫米就停下來；也就是說，向前滑行的距離必須用顯微鏡才能測量出來。向前滑行的時間也是微乎其微的，可以以微秒計，也就是閃光燈一閃的時間。同樣，一個以最高速度行進的細菌在突然停止時，將向前滑行1/10埃，也就是大約一個原子的大小。在低雷諾數的世界里，慢吞吞地游上一年游過的距離，和你在正

常世界中1秒內游過的距離是一樣的。

當慣性力不再重要時，諸如質量、加速度以及力，也就失去了它們的意義，牛頓第二定律（力等于質量乘以加速度）也就沒有什么實際意義了。對一個細菌來說，牛頓第二定律就是“零等于零”。對細菌來說，沒有所謂的加速度，細菌一旦開始游泳，幾乎在頃刻之間就能達到穩定的游泳速度；而一旦它們停止游泳，這一速度又會立刻歸零。對細菌來說，牛頓的物理世界顯得十分荒謬。

在細菌的世界里，亞里士多德描述的物理學能夠更好地解釋一切，因為他否認慣性的存在。

我驚訝于細菌——那些被它們的發現者范·列文虎克稱為“一群歡呼雀躍的小家伙”的生物——竟然打破了經典物理學的基石之一。看到這個，當時我追隨的那個團隊的負責人，指導我翻閱了由20世紀90年代的諾貝爾物理學獎得主寫的一系列文章。這些文章證明了，支配微生物游泳的物理學原理與支配某些亞原子粒子的量子力學行為的物理學原理是相同的。他們甚至對某些現象進行了簡單且具體的描述——也就是用規范場論對某種藻類的運動速度和軌跡進行了描述，而規范場論是我在接受本科教育時被灌輸的、讓我們覺得高深莫測的流行專業用語之一。正是由于細菌受規范場論支配的事實，才能精確地解釋是什么讓它們在不受力的情況下移動，并規避牛頓定律。

這對我來說是另一個巨大的教訓，不僅是在物理學和數學上的教訓，也是在社會學和身份認同方面的教訓。我認識到，物理學家并不一定非要被限制在特定的研究對象上，而應該運用某些工具和思維方式，在任何感興趣的領域，對任何類型的對象進行研究。規范場論不僅可被用于研究量子力學，也可以用于研究微生物以及與我們大小相近的其他對象。

我的研究不需要使用筆和紙來進行思考，而需要用我的胳膊、手、手指頭和腳來感受。

在加利福尼亞大學圣地亞哥分校，在團隊的幫助下，我進入布朗大學攻讀博士學位。我的新同事挪用了那些理論物理學中最棒的工具，來對諸如游泳、窗簾的皺紋、樹木和骨頭的形成這類宏觀課題進行研究。在認識到了這些不尋常地方的理論物理學結構以后，我為我的發現做好了準備——像微生物一樣，人類也能超越牛頓定律。

在布朗大學的第一年里，我開始學習太極拳，以排解研究生課程的壓力。當時，我沉迷于我的課題，已經變得像漫畫中表現的科學家一樣，眼睛盯著一塊巨大的、寫滿了公式的黑板，狂躁地抓著自己的頭發。在人們的印象中，太極拳具有讓人放松的能力，還帶著一些神秘主義，并且給人以不太適合競技的感覺。

在最初的訓練中，我確實學會了放松，并且忘記了我的工作。但是，當我練習到一般由兩人對練的推手時，我收到了一種完全不同的效果。推手既可以以放松為目的，也可以以對抗為目的，由兩個人進行協作練習。對抗性推手練習的目的很簡單：與對手面對面站立，在不使用打、抓這些手段，并且不推對方腰部以下或鎖骨以上的身體部位的前提下，努力使對方失去平衡。這種對練的動作應該是平滑且連續的，沒有其他格斗中的那種肌肉對決。

推手訓練的關鍵是學習發力時如何才能不失去平衡，而且要放松，并將對手引入“空”中：操縱對方的重心，這樣他們沖你而來的推力或拉力將被你重新定向，從而安全地遠離你的重心。在開始階段，我很難確定身體的哪些部位緊了，哪些部位松了，即使是自己單獨練習——要經過多年練習太極套路，你才能明白這一點。太極套路，絕對是練習中一個必不可少的組成部分，因為任何張力都會暴露出一條直線，直指一個人的重心，就像是一根鋼棍（繃緊的肢體或關節）不牢靠地連著一個傾斜的結構（軀干）。因為這根“鋼棍”既不能拉伸，也不能彎曲，任何人都可以通過推或拉這根“鋼棍”，把這個傾斜的“結構”推倒。

接下來，一個有眼光的推手選手，必須學會通過觸覺和視覺識別出對手身上繃緊的部位，并通過身體的接觸來解讀對手的意圖，以及他的身體下一步將如何調整。推手挑戰的是你的移動能力和身體的變化能力，以此化解沖你而來的力道。沒有力量意味著沒有慣性。在沒有慣性的情況下，要想定義與質量有關的術語，就會變得含混不清了，諸如“重心”一類的概念將變得模糊。如果你不能感覺出與對手重心相連的機械連接的話，就無法判斷對方的重心在哪里——可能是頭

部、左手小指，也可能是其他任何地方。

所有這一切，讓我被一種似曾相識的感覺淹沒。對我來說，這是第一次，我的研究不需要使用筆和紙來進行思考，而需要用我的胳膊、手、手指頭和腳來感受。最終我意識到，細菌都是太極大師。

像一個太極高手，細菌實際上也缺乏一個重心。如果一個細菌撞到另一個細菌，無論你認為它的重心是在頭上還是鞭毛上，發生的運動都是一樣的：它們只會黏附在一起，而且它們不用向對方施加任何力，就能一起到處移動。有時為了中和這些力量，它們需要保持這一狀態很長時間，幾乎是無限期的。也不知道為什么，這些細菌就是知道該如何移動才能化解它們之間的力——它們是深諳中和之道的大師。

它們也像是推手的練習者，做著看似不可能的事情：中和掉每一個力，同時還能實現某種形式的運動。它們會加快或放慢速度，也會突然改變方向。牛頓認為，沒有力的作用，這些都是不可能發生的。

力和運動之間的對話，也讓我看到了細菌“游泳”和推手之間的一個區別。推手時，在我們獲得了一個十分有利的位置之后，最終將使出很大的力。類似的策略在太極拳以外也可以看到，比如拳王穆罕默德·阿里的伺機反擊技巧，就是堅持頂住對手的重擊，并使用拳擊臺圍繩的彈性化解掉這些重擊的能量，同時為自己隨后的反擊拳帶來巨大的力量。簡言之，太極拳練習者的細菌樣運動，就是在能夠將自己的優勢最大化的時候精準地放棄。

對于一個細菌，根本就沒有加速這回事。

這讓我不禁心生好奇。難道發生在微生物身上的這一切，都是微生物從太極大師那里學到的嗎？如果它們突然被允許以一種適時的和戰略性的方式來發力的話，它們將如何表現？要理解這一點，我不得不將一些新的物理學引入它們，比如游泳的“規范場論”。這么做起初使我激動萬分，現在卻成了我讓這些小動物相互使用武力的主要障礙。

這個源自武術的意外動機，成了我博士研究的主要推動力，我著手研究新環境中的細菌在物理表現上的細微差別。在這些環境中（比如，異常幾何形狀中的簡單液體，或者是在簡單幾何形狀中的異常液體），細菌可以為人類做很多有益的工作，包括裝配和拖引小批量的藥物，或者為微引擎提供動力。當我們以一種事先計劃好的方式打破傳統物理學的時候，這一切都將成為可能。這很像推手的練習者在已經贏得優勢的時候打破中和的規則一樣。

現在，這類思想正在向許多方向滲透，并將最終引導人們制造出十分有用的微觀裝置。這種觸發發力的能力，將使細菌在與其目標黏附在一起后，能夠在合適的時間分離開，從而使細菌能夠擔負起貨運拖車的角色。比如，細菌可以搭載化療分子為有效載荷，直接將化療分子運向腫瘤，而在此運送過程中不會損害健康組織。（在沒有人工干預的情況下，細菌自身也能夠分離，但是其機制有些不明朗，并且涉及很多種不同化學物質的分泌。）而這些小小的“游泳者”（自然的或者人造的）可以以復雜的模式操縱和組裝藥物粒子。通過這種方式，細菌不僅可以用一些基本組分組裝出抗癌藥物，還可以將這些藥物攜帶至腫瘤，然后釋放，并且重復上述過程，直到治療完成。

學習太極拳不僅指導了我的研究，還轉變了我做研究的方式。西方哲學傾向于將整個大千世界分為觀察者與被觀察者，而且在這兩者之間幾乎沒有互動。看到細菌和太極拳之間交相輝映，給了我一種新的視角，那就是通過聚焦于事物之間的聯系，以一種更加平等的方式來進行物理學研究。

在發現細菌和中國武術之間的聯系的過程中，我發現有大量質樸的東西在里面，并且在一時的情不自禁中，我觸及了更深層次的東西。而這種質樸的東西，正是理論物理該如何去做的核心。我開始一遍又一遍地寫草稿，想把我的一些想法表達出來。這是一些瘋狂的想法，那就是使用身體技法來進行物理教學。我開始向我的朋友和同事大肆宣揚“源自身體的物理學”， 對我來說，太極拳、細菌和規范場論的數學思想之間的聯系，似乎比使我的研究出現大問題的我的興趣，或者暗示性的小想法之間的隨機聯系更深。

除了能夠讀書的眼睛，以及能夠聽講座的耳朵之外，我已經認識到，身體也可以作為一種知識的載體和來源。在這個意義上，身體是我們擁有的最容易接近的知識載體，因為每個人都擁有身體，但并不是每個人都有機會閱讀書籍，或者傾聽講座。我堅信，此類模糊的想法，雖然現在被看作數學家的專屬地，但終將變得被大眾普遍接受，至少通過類推可以做到這一步。如果你能夠將一個亞原子粒子以某種特定的方式行動，與你和你的身體也相應地以某種特定的方式行動之間聯系起來的話，就能更好地了解你生活的這個世界，哪怕這些微小的細節被掃到地毯之下。或者更進一步，也許這會讓你想要更好地了解這個世界。

認識到這種聯系，我覺得我有了特定的立足之地，或者說我已經有了自己的角色，而這一角色并不一定非要用“物理學家”來描述。“物理學家”這個詞，是一個已經扎根在社會學和民意中的、既牢固又脆弱的定義，而且它使我對自己產生了懷疑。現在，令科學家感興趣的各種各樣的事物，早已使“物理學家”這樣的術語變得黯然失色。今天，對這些領域而言，該是人們在思維模式和術語上做出改變的時候了。這種新的思維模式，應該有一個新的名字，我選擇“聯結者”。

“聯結者”是那些注意到事物之間聯系的人。對物理學而言，“聯結”也許是最寶貴的技能了，而許多物理學界的杰出人物都擁有這一技能——在民間文學中，充斥著各種關于費曼在康奈爾大學食堂通過旋轉盤子發現了量子電動力學原理，以及愛因斯坦通過玩弄菜湯發現了布朗運動理論等各種各樣的傳說。在這里，科學發現被包裝進了個人故事。有時候，故事是這樣的：在科學家已經盯了黑板數百個小時、搜腸刮肚而百思不得其解時，突然之間，就在他們沐浴時、打保齡球時、看到鳥兒飛翔的形態時，突破發生了。

這些小小的瓜葛很少被寫進公開發表的出版物中，也很少在諾貝爾獲獎演說中加以討論。但從某種意義上說，這是故事中最重要的組成部分，不僅因為它們是最人性化的和最容易讓人接受的，還因為它們反映了科學發展的本質。如果事實真是如此，就像我們可以從原子發生猛烈的核聚變來猜測第一批恒星是怎么誕生的一樣，那我們司空見慣的活動也就沒有什么太大的不同了。如同太極中的陰和陽一樣，它們通常同時出現，無論我們注意到與否。