理论物理学家吉姆·盖茨（Jim Gates）是与我关系最亲密的导师之一，也是超引力理论方面的先驱，而我在帝国理工学院研究的正是这一理论。盖茨曾告诉我，研究理论物理就像在没有声音的行星上长大的作曲家试图创作音乐一样。在试图追寻140亿年前宇宙中到底发生了什么时，我们确实有这种感受。有些时候，唯一能帮助我评估自己的进展、让我再次脚踏实地地开展研究的，就是我从我的博士生导师罗伯特·布兰登伯格身上学到的叛逆精神和冒险精神，它们能造就有益的成果。我忽然顿悟，偶尔转身拥抱新事物正是振兴旧事物的秘诀。

有趣的是，在我离开物理系研究生院的那一天，量子场论引起了我的兴趣。盖茨曾这样描述量子场论：探究大爆炸的原因就像试图在没有声音的行星上作曲，而我在其中迷失了。我想寻找一些更基础、与现实联系更紧密的事物。埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）于1946年完成了著作《生命是什么》（What Is Life?），他在书中把量子力学应用于生物学领域。而薛定谔也提出了量子力学中的基础方程薛定谔方程。读完后，我对生物物理学产生了浓厚的兴趣。毕竟，生物与非生物都由分子组成，而支配它的是量子力学。

周期性重复的自组织原子可以形成非生命物质，就像伊辛模型中周期性的电子自旋产生了不同形式的磁力。薛定谔睿智地推断出，生命中隐含的基因编码应该是一种准周期结构，就像一条螺旋线。顺着螺旋线的垂直轴向下看，你会看到一个圆像波一样周期性地运动。然而，从侧面看，周期性却消失了。詹姆斯·沃森（James Watson）、弗朗西斯·克里克（Francis Crick）与莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）受到启发，致力于寻找DNA的双螺旋结构（图9-1），最终他们成功了，并因这项发现共同获得了诺贝尔奖。结构与组成物之间存在着一种有趣的联系——螺旋结构保证了生命体在存活期间储存基因物质所必需的力学稳定性。

图9-1　DNA双螺旋的准周期结构

退出物理学界，成为生物学新人

因此，我打算退出物理学界。我必须和他人交流一下我的想法。杰拉德·古拉尔尼克（Gerald Guralnik）是希格斯玻色子的发现者之一，他也因此而为人们所知。他操着一口美国中西部口音，行为举止酷似泰迪熊。作为一位有着极高威望的物理学家，他非常平易近人，并且很关心学生的前程。和他的导师朱利安·施温格（Julian Schwinger）一样，古拉尔尼克也喜欢开快车，还喜欢在喝完一杯啤酒之后闲聊一会儿。他授课技艺精湛，课堂总是座无虚席。

“斯蒂芬，退出物理学界并没有什么……但是，不要退出科学界，”古拉尔尼克一脸关切地说，“你的新兴趣是什么？”

我告诉古拉尔尼克，我想了解生命的量子起源。沉思了片刻后，他说：“我有个想法。我有没有和你说过，我曾经错过了诺贝尔化学奖？”但是，他是理论粒子物理学家，所以我以为他是在开玩笑。原来，他以前的博士生导师沃利·吉尔伯特（Wally Gilbert）曾与沃森合作，共同研究一个分子生物学方面的问题，并希望他加入团队。吉尔伯特离开了粒子物理学界，进入了生物学界，并且希望古拉尔尼克也跟随他的脚步。“我才不要去呢！”古拉尔尼克说，“然而，谁会想到他会因为在DNA基因测序方面的工作而获得诺贝尔奖呢？我现在就给吉尔伯特打个电话。”

古拉尔尼克拿起电话拨号，电话很快就接通了。“嘿，吉尔伯特，我是古拉尔尼克。我这儿有个学生想见一见你，他正在考虑进入生物物理学领域。上次听到关于你的消息时，你还是哈佛一个项目的负责人。”电话的那端传来了一阵杂音。古拉尔尼克接着说：“好的，我会让他下星期去见你。”

我和吉尔伯特见面后，他慷慨地用3个小时的时间向我讲述了自己作为一位科学家的历程。他非常理解我目前的处境，并在哈佛医学院为我找到了一份有关X射线晶体学的工作。X射线晶体学可以应用于确定病毒的三维原子结构。我收拾好自己的书，离开了布朗大学物理系研究生院。

我已经准备好进入哈佛医学院的“广阔天地”了。布朗大学物理系的研究生总是挤在狭小的空间里，里面充斥着浓咖啡的味道，以及不洗澡的学生身上散发出来的怪味。狭小的窗户、彻夜不眠、大量的习题都是常态。几年之后，当我们听到一则传闻说布朗大学物理系的大楼是由一位监狱建筑师设计的时候，我们一点儿也不惊讶。

当我抱着一个装满书的箱子走出巴拉斯与华立楼（Barus and Holley Building）的122号房间时，我看到有位同学的桌子上放着一本教材，封面上写着“量子场论……”，但自那之后我再没有见过它。那位同学当时不在，所以我偷看了一眼，犹记得前言的开头部分是：“量子场论结合了狭义相对论与量子力学，它指出，所有的物质及其相互作用都是由场的共振构成的。它提供了一个新的视角，认为整个宇宙就是由这些场构成的交响乐团。”

我竟在退出物理学界那一天发现了这样的瑰宝，幸何如之！当我的大脑兴奋地转动时，我几乎能感觉到新的神经连接正在形成。手中的箱子十分沉重，而我终究还是离开了，但是这幅场景铭刻在了脑海里。我被量子场论深深地吸引了。

所有生命都是量子现象

我在霍格尔实验室（Hogle lab）度过了一个充满挑战的暑假，每天都竭力避免接触致命的化学物质。我的导师是吉姆·霍格尔（Jim Hogle），他运用在威斯康星大学的群论课上学到的对称性原理，发现了动物病毒（脊髓灰质炎病毒）的三维结构（图9-2）。他天资聪颖、成就无数，总是对我提出的推测性理念表示肯定，因此对我的影响尤深。有一天，霍格尔随意又严肃地对我说：“你知道吗，斯蒂芬，我很敬佩那些为生物学做出贡献的物理学家，但物理学家必须尊重生物系统中的复杂性。世界不是由球形母牛构成的。”⁽¹⁴⁾他开了一个小玩笑，讽刺那些试图理解复杂事物的物理学家所做的一切简化。从方程中找出对称性是一种非常重要的方法，但实际上，在纸上画出一头球形母牛比画出现实中的不规则事物要容易得多。毕竟，无论你站在那头球形母牛表面上的什么地方，它看起来都是一样的。

图9-2　脊髓灰质炎病毒的二十面体对称

注：用字母A、B、C标示的亚基是构成三角形衣壳的蛋白质。20个三角形衣壳在12个顶点上相遇，赋予了这个三维二十面体对称性。

在进入生物学领域之前，我以为对称性的力量仅仅体现在物理学上，然而我错了。我了解到，病毒天生便具有不同程度的对称性。与乐高积木一样，单一的蛋白质会自组装为病毒的二十面体结构。布兰登·奥格博努（Brandon Ogbunu）是我的朋友，也是麻省理工学院的生物物理学家。他认为，在生物系统中，小到分子，大到生物体本身，都存在对称性，因为这能最大化其进化的适应性。我们双腿的两侧对称就是一个简单的例子，我们若想在丛林中奔跑和捕猎，两条腿的长度就必须相同。多种对称性赋予病毒多样的功能，例如，提供机械稳定性以及高效地依附在宿主细胞上的能力。更重要的是，病毒是由成千上万个原子构成的，知道它们在三维空间中的精确位置反而增加了确定其结构的难度。它们的结构表明，病毒以及构成它们的分子都是一种量子现象。

对称性看起来似乎是粒子物理学与生命功能之间的关键连接点，然而科学界关于还原主义的争论一直潜藏在我的思维中。我在霍格尔实验室工作时曾读过一篇题为《多即不同》（More Is Different）¹的短文，作者是诺贝尔奖获得者菲尔·安德森（Phil Anderson），他在文中简洁有力地讨论了这场争论，争论的焦点是对称性与基础物理学。粒子物理学家在探索更小的距离与更高的能量时发现了新的对称性，这简化了基本粒子的相互作用。这种对称性的基本框架是由量子场论来描述的。对此，安德森持有不同观点，他认为：“基本粒子物理学家给出的基本法则的性质越多，它们看起来与其他科学领域中的实际问题就越不相关，更不用说社会问题了。”他指出了一个关键点，即在复杂现象发生的尺度上，基本粒子物理学中发现的高度对称性不再起作用：

事实证明，大而复杂的基本粒子集合的行为并不是少量粒子的性质的简单外延。相反，不同程度的复杂性都会产生全新的性质，而若想理解这些新的性质，就需要开展新的研究，我认为这种研究在本质上与其他研究一样重要。

换言之，像霍格尔发现的病毒这样的生物系统，正是由量子场论所描述的基本粒子构成的。不过，整体并不等于局部的简单相加，比如，固有的对称性会随着原子与分子数量（也即复杂度）的增加而减少。复杂病毒的对称性虽然很小，但并不是不存在。从基本粒子到生命，再到宇宙本身，甚至音乐，这些现象虽然看上去毫不相关，但似乎都存在着对称性与对称性破缺的博弈。

霍格尔明确地告诉我，生物学的发展需要以物理学为基础，因为总有一天，生物学将发展到足以解决诸如量子力学在病毒功能中的作用等问题。“我们还没有走到那一步。”他承认。霍格尔这是在委婉地告诉我，我天生就不是做实验生物化学家的料。事后想来，他是对的，我非常感激他。

古拉尔尼克很高兴看到我回心转意。我回到了布朗大学物理系研究生院，继续充满动力地钻研量子场论成为物理学的基本语言的原因，以及它与对称性和对称性破缺的关系。也许有一天，我将明白生命是如何出现的，这也是布兰登伯格正在研究的课题。他在阿兰·古斯（Alan Guth）的宇宙膨胀理论的基础上继续探索，并发现了量子场论为宇宙中现有的大尺度结构提供“种子”的方式。宇宙中的大尺度结构并不是生命本身，但若离开了行星和恒星，生命也将不复存在。布兰登伯格重新对量子场论产生了兴趣，现在我也一样，不过我是通过生物物理学发现这一兴趣的。作为一位训练有素的物理学家，我一直坚信美与优雅在于对称性，然而生物学告诉我，在破缺的对称性中存在着深刻而美丽的事物。我与布兰登伯格的任务是探索早期宇宙中存在的微小不对称性，后者最终让人类诞生。

这个过程必然存在一定的风险。这有点像在一场爵士乐独奏中，演奏者突然意识到这个时候需要一个刻意为之的错误音符。我的一位爵士乐老师曾经说过：“你要勤于练习，熟练掌握所有的音阶和长音，这样在独奏进行到一半时，如果你要演奏那个错误的音符，你就可以像一位杂技演员一样从容应对。”我决定在我的研究中演奏一些错误的音符，并付诸了行动，在这个过程中我受益良多。