细菌都是太极大师

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1、细菌都是太极大师　　当我开始研究动物是如何游泳的时候，我觉得自己不是那么像一个物理学家。当时我刚刚获得了物理学学士学位。在完成学位期间，我经常被这样教导：物理学家都是在少数流行词上下功夫的，比如量子力学、宇宙论、规范场论，以及诸如此类的领域。为了看一下研究所是否适合我，我加入了利福尼亚大学圣地亚哥分校的一个研究团队，开始实习，但是他们的研究与这些流行词毫不沾边。他们使用强大的数学工具，来了解诸如蜗牛、蠕虫以及微生物的运动。　　我十分感激他们给予我这次机会，而且我认为，他们研究的问题既迷人又有趣――只不过他们研究的不是基础物理学罢了。随着我越来越深入地融入这个团体，这种差别逐渐发

2、展成了一种身份认同危机。理论物理学家有点像某些艺术家或运动员：如果你觉得自己已经离克利（译者注：指保罗?克利，历史上最富诗意的造型大师）或佩顿?曼宁（译者注：美国橄榄球运动员，历史上最著名的四分卫之一）这些大师级的人物越来越远了，那么对你的职业生涯来说，似乎就要大祸临头了。我想我能感觉到爱因斯坦和费曼（译者注：美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖得主）在天上注视着我，以及在看到我转身走上一条“错误”的道路时皱眉的样子。　　要想让我坚定自己选择的道路，微生物需要做出一些令人印象深刻的壮举，证明它们能够和原子发生猛烈的核聚变一样令人着迷――9它们果然没有辜负我的期望。有些微生物

3、能够将它们的DNA以小段甚至是大段的形式发射出去，并且这一过程中的加速度是航天飞机发射时的加速度的大约1000倍；另外一些微生物，则可以与跟它们完全不相干的邻居分享遗传信息，从而形成一个“互联网”。更有趣的是，微生物不服从牛顿定律，而牛顿定律在经典物理学中支配着基本运动，是经典物理学的支柱之一。这些不同凡响的事实不仅改变了我对细菌的认识，而且改变了我。我开始深思，作为一个物理学家，究竟意味着什么。　　微生物在流体环境的体验，与我们在流体环境的体验是完全不同的。我们能够以我们的方式体验到水，是因为我们有着一定的个头，能以特有的速度来游泳。物理学家和工程师是以雷诺数来描述水的“感觉

4、”的，对于一个给定的液体，当它以一个给定的速度流动时，雷诺数是惯性力与黏性力（也就是向后拖的那个力）的相对比值。这个数字越大，说明相对于向后拖的黏性力而　　言，惯性力占据着主导地位。当雷诺数较大时（至少达到几百），湍流（就是当快艇快速驶过时，你看到的白色的湍急泡沫）开始起作用。　　通过这些你可以推算出人类游泳时的雷诺数，对像我这样笨拙的游泳者来说也就是不到几千，对奥运会选手来说要大一些。而对细菌来说，它们的雷诺数只有大约0.001。这意味着，惯性力对细菌的影响只有对人类影响的1/109。9　　要想重现细菌在水中的体验，对一个普通身材的人类来说，需要沉浸在糖蜜中以每分钟约1厘米的

5、速度游泳。在停止的时候，惯性力只能让他们向前滑行不到1毫米就停下来；也就是说，向前滑行的距离必须用显微镜才能测量出来。向前滑行的时间也是微乎其微的，可以以微秒计，也就是闪光灯一闪的时间。同样，一个以最高速度行进的细菌在突然停止时，将向前滑行1/10埃，也就是大约一个原子的大小。在低雷诺数的世界里，慢吞吞地游上一年游过的距离，和你在正　　常世界中1秒内游过的距离是一样的。　　当惯性力不再重要时，诸如质量、加速度以及力，也就失去了它们的意义，牛顿第二定律（力等于质量乘以加速度）也就没有什么实际意义了。对一个细菌来说，牛顿第二定律就是“零等于零”。对细菌来说，没有所谓的加速度，细菌一

6、旦开始游泳，几乎在顷刻之间就能达到稳定的游泳速度；而一旦它们停止游泳，这一速度又会立刻归零。对细菌来说，牛顿的物理世界显得十分荒谬。在细菌的世界里，亚里士多德描述的物理学能够更好地解释一切，因为他否认惯性的存在。　　我惊讶于细菌――那些被它们的发现者范?列文虎克称为“一群欢呼雀跃的小家伙”的生物――竟然打破了经典物理学的基石之一。看到这个，当时我追随的那个团队的负责人，指导我翻阅了由20世纪90年代的诺贝尔物理学奖得主写的一系列文章。这些文章证明了，支配微生物游泳的物理学原理与支配某些亚原子粒子的量子力学行为的物理学原理是相同的。他们甚至对某些现象进行了简单且具体的描述――也就

7、是用规范场论对某种藻类的运动速度和轨迹进行了描述，而规范场论是我在接受本科教育时被灌输的、让我们觉得高深莫测的流行专业用语之一。正是由于细菌受规范场论支配的事实，才能精确地解释是什么让它们在不受力的情况下移动，并规避牛顿定律。9　　这对我来说是另一个巨大的教训，不仅是在物理学和数学上的教训，也是在社会学和身份认同方面的教训。我认识到，物理学家并不一定非要被限制在特定的研究对象上，而应该运用某些工具和思维方式，在任何感兴趣的领域，对任何类型的对象进行研究。规范场论不仅可被用于研究量子力学，也可