信息、生命与物理学

保罗·戴维斯（Paul Davies）

理论物理学家、宇宙学家、天体生物学家，美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心主任，“地外智慧生物搜寻”（SETI）计划侦测后任务小组负责人；从事科学普及工作数十年的多产科学作家，曾因科学成就及向大众传播科学知识的卓越贡献而获得尤里卡奖、英国物理学会开尔文奖和英国皇家学会法拉第奖等，其代表性科普作品包括《上帝与新物理学》《宇宙的最后三分钟》《关于时间：爱因斯坦未完成的革命》等。

III 前言

001 第1章 生命是什么？

029 第2章 走近麦克斯韦妖

077 第3章 生命的逻辑

127 第4章 达尔文学说2．0

169 第5章 鬼魅般的量子和生命

197 第6章 生命的起源

221 第7章 机器中的幽灵

251 结语

263 延伸阅读

269 注释

281 索引

【前言（节选）】

已经有很多书探讨过生命能做什么了，但本书想要探讨生命是什么。是什么创造了生物？是什么使得生物能够做出如此令人惊讶的事情，而这些事情是非生物做不了的？生物与非生物的区别来自哪里？哪怕一个低级的细菌也能完成如此美妙、如此神奇的事情，却没有任何一位工程师能够制造出与生物相媲美的东西。这些问题让我十分着迷。生命看上去就像一种魔法，它的秘密隐藏在令人费解的复杂性之中。过去几十年来，生物学取得的巨大进展只不过强化了这种神秘感。是什么让生物产生了神秘的魅力，既非凡又独特，完全不同于其他物理系统？所有这些独特性最早来自哪里？

我们可以提出很多类似的问题，它们也是非常重要的问题。在我的职业生涯中，我常常痴迷于这些问题。我不是生物学家，而是一名物理学家和宇宙学家，所以，处理这些重要问题时我将避开大多数技术细节，主要关注基本原理。这就是我将在本书中做的事情。我会专注于真正重要的难题和概念，以试图回答那个非常重要的问题：生命是什么？我绝不是第一个提出这一问题的物理学家。距离伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔发表著名的系列演讲《生命是什么？》已经过去了三代人的时间，我将以此作为出发点。在这些演讲中，薛定谔提出了一个达尔文回避的问题。然而，我认为我们现在正处于回答这个问题的临界点上，相关的答案将会引领一个全新的科学时代。

如果不引入全新的基本概念，物理学与生物学之间的巨大鸿沟——原子和分子领域与生物体领域之间的鸿沟——就将无法弥合。生物体有其目标和使命，这是几十亿年来演化的产物，而原子和分子只盲目遵从物理规律。但是，生物体必定是以某种方式从原子和分子中产生的。尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家还是常常低估了全面理解生命起源和生命本质的难度。

试图寻找非生命与生命之间存在的“缺失的连接”，并在单一理论框架下将两者连接起来的研究，已经产生了一个全新的交叉科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终极解释，还希望开启新的应用场景，为纳米技术带来变革，并引导医学研究取得巨大进步。这一变革背后的统一概念就是信息。它不是指日常意义上的信息，而是一种类似于能量的抽象概念，能让物质形成生命。从字面上理解，信息流模式可以表现出它们自己的生命特征，比如，在细胞间穿梭翻涌，在大脑中飞旋，在生态系统和社会中交互并呈现出它们自己的系统动力学机制。正是在这种丰富又复杂的信息流动过程中，行为主体的概念产生了， 这一概念与意识、自由意志和其他令人困惑的难题有关。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。

生命是什么？

1943年，诺贝尔奖获得者、量子力学的重要奠基人薛定谔提出了这个问题，并指出需要一种全新的物理学来给出答案。这是20世纪最伟大的科学问题之一，至今各领域科学家仍在不断尝试解答。

理论物理学家、宇宙学家、天体生物学家保罗·戴维斯受到薛定谔提出的伟大问题启发，结合香农的信息论、达尔文的演化论和近年来多学科的前沿研究发现，重新深入探寻生命的内在逻辑。与薛定谔一样，他认为生物体清楚表明了更深层次的新物理学原理的存在，并指出这种新物理能让物质与信息、整体与部分、简单性与复杂性交织在一起。

保罗·戴维斯指出，生命的内在逻辑是信息。掌握信息可以降低不确定度，这使生命脱离了无序，与非生命区分开来。串联起生物体物质复杂性（生命的“硬件”）的东西，是更令人惊叹的信息复杂性（生命的“软件”）。在信息领域，我们才邂逅了生命真正的创造力。信息网络和逻辑计算，正是生命这台精妙机器具有“魔力”的根本原因。

这本探索生命起源及内在逻辑的书极具洞见且涉猎广泛，探究了融合生物学、物理学计算机科学和数学的全新交叉科学领域。它可以为技术和医疗带来变革，使癌症的深层根源、鸟类导航现象、量子计算和人脑意识的产生等问题得到更加透彻的理解，甚至能阐明生命是否必然出现这个古老又深奥的问题。