微生物都是太极大师吗？

　　最初接触这个话题时，我还是一名物理专业的大学生，我的专业内容是量子机制、宇宙学、规范理论等等。在准备报考研究生阶段学习之初，我参加了一个加州大学圣地亚哥分校的研究组。但是我所学的专业在这里完全派不上用场，他们通常使用高能算数来理解蜗牛、虫子、微生物的运动。

　　我非常感谢这次学习的机会，我认为他们研究的问题有趣且令人着迷，而不仅仅是基础物理学。当我深入这项研究的时候，这一细小的差别面临着巨大的身份认同危机。理论物理学家就像是艺术家或者运动员，你会感觉爱因斯坦或者费曼正注视着你，当你犯错误的时候，他们就会皱起眉头。

　　微生物的世界令人印象深刻的是严格的遵循着原子微观世界的法则，从来没有违背过。有些发射自己的触角甚至自身DNA的一部分，其速度可以瞬间加速至宇宙飞船的1000倍，还有一部分与自己毫不相关的邻居共享基因信息，在数亿年前就使用了先进的互联网技术，甚至还比我们要先进得多，只是个体小于人类100万倍。更有趣的是，微生物的世界并不遵守牛顿法则，牛顿法则只在经典力学与基础运动中才有效。

　　这一现象改变了我对细菌的传统认识，拓展了我对物理学的既有认识。

　　微观领域中的流体环境与我们的现实世界如此不同，我们对于现实中水的认识是基于特定的个体尺寸和在游泳时特定的速度。物理学家与工程师们对于水的认识是基于雷诺数（Reynolds number），在给定液体流动速度时，它代表粘性水平。这个数字越大，粘滞性就表现出拖拽的作用。湍流（在赛艇周围经常看到的白色，泛起泡沫的水流）出现在雷诺数变大，至少是数百的时候。

　　通过以上可以指出，游泳运动实际是一个可被数据化的过程，对于一个旱鸭子来说，比如：我，掉到水里后，产生的雷诺数可能会不到一千，游泳奥运冠军可能会要大一些。对于细菌来说，雷诺数变得仅仅只有0.001，这意味着流体环境对于微观生物来说比对我们产生的影响要小1百万倍。

　　为了再现细菌在液体中的环境，一个人类尺寸的物体需要沉浸在黑糖蜜一样粘稠的物质中，并且以每分钟1厘米的速度向前游。如果他突然间停止了，在停止前的滑行距离不超过1毫米；也就是说，滑行的距离要用微观的尺度进行测量。滑行的时间也是最小量，有时可能是几微秒，就像剧场中频闪闪光灯的时间间隔一样短。同理，一个高速运动中的细菌突然停止后滑行的距离是十分之一埃（1埃等于0.1纳米等于10的负十次方米），大约是一个单个原子的尺寸。

　　当惯性消失的时候，像物质、加速度和力这样的概念就将会失去原有的意义。牛顿第二定律宣称：力等于质量乘以加速度。对于微观世界来说，变成了零等于零。根本就没有加速度这个概念，原因是细菌在进入运动的状态时是瞬间就完成了，停止也同样是瞬间完成的。牛顿第一定律认为客观物体在没有外力作用的状态下保持匀速自然运动，然而这在微观世界中就没有这样的事情，细菌不是在加速游泳，就是原地静止不动。没有微生物处于一种没有外力的滑行状态。牛顿第三定律，作用力与反作用力相等，也完全不适用，原因是从来就没有任何作用的过程。

　　在微观世界中，物理原理更适合用亚里士多德的理论进行描述，他否认惯性的存在。

　　我对细菌的活动能力感到惊奇——他们的发现者荷兰人列文虎克（van Leeuwenhoek）管它们叫“欢快的小动物”——它们撼动了经典物理学的基石。我所在小组的负责人让我看了90年代物理学诺奖得主的文章。这些论文证明在微观领域中起作用的物理法则与某些次级粒子所遵循的量子机制是相同的，他们甚至做了一些简单而确定的描述——某种细菌的速度与轨迹——所用的规范理论我在本科学习的时候曾经接触过。事实上，微观世界中所遵循的规范理论恰恰解释了细菌在没有力作用下的运动过程，从而避开了牛顿的经典定律。

　　这对我来说是重要的一课，不仅限于物理、数学，还在于社会学和对于自身的认识。因此，我得出结论，物理学并非仅仅研究特定的客观物体，更重要的是善于运用特定的工具和思维模式来解决任何感兴趣领域中的任意对象。规范理论并非仅仅限制于量子机制，也可以应用于微生物领域和我们的现实世界。

　　在加州大学研究小组的大力支持下，我进入了布朗大学的博士计划中。我的新同事们非常善于从理论物理学中寻找美丽的工具来研究宏观问题，比如：游泳，窗帘上的褶皱，树木与骨头的形成过程。将理论物理学的理论框架应用于宏观领域使我逐渐发现，就像微生物一样，人类也可以在现实生活中超越牛顿经典理论对思想的束缚。

　　在布朗大学的第一年，我开始通过练习太极拳来缓解研究生阶段的精神紧张。我被自己所研究的问题困扰，开始像一个怪博士一样盯着黑板上潦草的符号，头发蓬松杂乱。太极宣称有去除烦恼的功效，有些神秘主义，通过肢体来实践无为的境界。

　　在刚开始的训练过程中，我确实得到了放松，忘掉了工作，当我开始学习一个两人互动的太极推手动作的时候，我突然有了新的领悟。推手既可以是出于放松目的的两个人的协作配合，也可以是一种竞争性的格斗。格斗的目的很简单：双方面对面站立，并尝试使对方失去平衡。这个过程不能打，拽，也不能对腰部以下和锁骨以上做攻击。两个人的状态应该是平顺且连续的，不应该是力量对力量的相互扭打。

　　推手的要点不是将力量发挥到最大，与之相反，是用最少的力来引导对手“进入虚空”：将对手作用力的焦点引向安全位置，远离自己的重心。

　　初级选手将很难判断对方的身体部位哪里紧张，哪里松弛，甚至对于自己也不太清楚——仅这一项就需要多年的训练，练习太极是一个需要不断重复的过程。这是太极训练的重要环节，因为任何肌肉紧张的位置都代表了一个人的重心。

　　接下来，一个练习太极推手的人应该通过触摸和观察，辨认出另一个人身体的重心位置。这要通过事先的练习和对手的协作来达到，这种技能被叫做“听”——在接触的过程中干扰对方的注意力和身体的重心。这项技能的重要价值在于有一方失去了与对方的联系就会丧失主动。

　　太极推手考验的是人通过身体的移动和变形化解来力的能力。没有力，也就相当于没有惯性。没有惯性，对质量的定义也会模糊。所谓的“重心”的概念也消失了。如果你没有感觉到与对手身体重心之间的物理连接，你就不确定他的重心在什么位置——可以在头，可以在左手小指，也可以在其他位置。

　　这让我醍醐灌顶。这让我立刻联想到了某些似曾相识的场景，当然也还有个过程，最初我没有往依靠纸笔的研究工作上面去想——我开始用肢体感受，用手，手指，脚。最后我发现：细菌是太极宗师。

　　就像在打太极一样，细菌没有重心。如果你是一个细菌并且与另外一个细菌相撞 ，不管是重心在你的头部还是重心在鞭毛，其结果都是一样的。当两个细菌挨在一起时，他们粘连在一起，运动的时候不给对方施加任何作用力。有时为了使力中和，他们需要连接在一起很长时间，几乎是永远。但是细菌“学会运动”过程中不给对方施加外力。他们是中和力的大师。

　　以上关于力与运动方式的论述让我发现了在细菌与太极推手之间的一点不同。在推手过程中我们要取得优势地位就需要施加大量的力。相似的战略在太极以外的领域中也可以见到，比如：拳王阿里的“倚绳战术”，通过倚靠在拳击外围的弹力绳索化解对方的攻击，其结果是导致了巨大的反作用攻击力。

　　这让我开始思考——是不是微生物都从太极推手上学到了什么？如果推手的对方是细菌，并不断的策略性的从外界施加力，表现将是什么样的？为了理解这一点，我不得不将新物理定律引入其中；期初关于游泳的规范理论令人兴奋，但是现在又成为解释细菌间互相作用的主要障碍。

　　在这项搏击运动中意外的发现成为了我博士研究的突破点。我开始为细菌而虚构一个与经典物理环境不同的微观环境。这类环境有点像简单的液体在非常规几何空间中，或者说非常规液体在简单的几何空间中。在这类环境中，细菌的行为转变为可以被人类所控制，比如：让微型药物运送到特定位置，或者向微型引擎提供能量。当我们突破了传统物理环境所预设的机制的时候这一切才变得可能，就像是太极推手与传统搏击对于力的运用打破了常规的理解。

　　这样的思维方式在多方向开花结果，并且最终将导致超级有用的微型设备。在微观环境中施加力将会控制细菌的活动，从粘连的物体上分开，这就让转送物质变得可能。（细菌能够完成自我分离，但是内部机制相对诡异，可能包含有未被发现的化学物质的作用。）或者让微小的浮游选手（自然的或者人工的）在复杂的路径中被控制进而组装药物颗粒或者其他什么小细胞，甚至是远程完成。细菌这样说来，不仅仅可以用来运送抗癌药物的有效成分，还可以携带并释放到病灶中，直到疗程全部结束。

　　从太极中不仅受到了启发——太极甚至改变了我研究的方法，西方哲学家倾向于将宇宙世界分成主观与客观，这两者之间是对立的，很少联系，看到细菌与太极推手的多形式互相作用，让我有了全新的研究视角，更加注重研究对象之间的联系。

　　关于这类联系的问题在细菌和中国搏击中大量存在，也是理论物理的热点研究对象。深入其中，有一个瞬间我被带到了更深层的世界，于是我开始写论文，关于更深层世界的论文，用人肢体的感悟创设一种疯狂的物理概念。我开始因为“源于肢体的物理”与我的朋友和同事争论。对我来说，在太极、细菌和规范定理的数学式想法中存在的连接并不简单，它引导着我的研究工作进入更大的问题。

　　我开始把人体当做一个智慧的活动体，一个不同于眼镜，耳朵的源头，从某种意义上说，他是我们最易触碰的实体，每个人都有身体，但是并非每个人都能用眼镜看懂一本书或者用耳朵听懂一段演讲。我非常认同以前显得很古怪的一个看法，就是远古时代的数学家对于宇宙万物都可以了解，至少是可以类比的。如果你可以把次级粒子的行为方式原因与你自己身体的某些行为方式联系起来看的话，那么也许这将有助于你更好的理解所生存的环境，即使这细小的联系总是不易被察觉。或者也许这将激起你了解世界真相的欲望。

　　对于联系的认识让我感觉自己有一个特定的位置或者角色，并非一个名词“物理学家”能够描述清楚。那个名词直根于社会学或者什么更广泛的领域，这让我反思自己。科学家这个词使研究回避了很多本来重要的问题，这一领域在思维模式上已经发生重大变化。秉持这种理念的人应该有一个新名字：“思想家”的叫法有点太自命不凡，所以还是“连接者”更可靠一点。

　　连接者应该是那些发现事物之间本质联系的人。连接或许是物理学当中最具价值的技能，被很多伟大的科学家所掌握。这个家谱中重要的名字包括，在康奈尔大学的饭堂里通过观察自转的盘子发现量子电动力学的费曼，在喝汤时发现布朗运动的爱因斯坦。科学发现经常被限制在个人狭窄的经历当中——有时是在盯着黑板的数百个小时中度过的，但是经常在淋浴的时候会有想通的瞬间，在打保龄的时候，或者看到天空中一排鸟儿飞过。

　　这种小的联系式的发现很少被公诸于众，更少在那些诺贝尔演讲词中提到，但是某种程度上来说，却是最重要的部分，一方面是他们代表了人性的一面，和稍纵即逝，另一方面更重要的是反映了科学发展的自然本质。如果以上属实，那么我们的日常生活就与原子的运动相撞没有大的差别，也更容易想象第一颗恒星是如何诞生的。就像阴与阳的相生相克，尽管我们不是经常能够注意到。

　　原文：https://nautil.us/issue/37/currents/bacteria-are-masters-of-tai-chi

　　作者Madison Krieger近期获得了布朗大学的工程博士学位，正在哈佛大学的动态进化理论研究中攻读博士后学位。

　　编译：阿宝