@jiyanjiang
2015-10-28T20:58:20.000000Z
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生物物理 物理学 生物学
科学是现在各门知识中最显要的学问，它取代了哲学和神学曾经的地位，在所有各学科中处于中心的地位。这中间又有两门学问——物理学和生物学——被认为是最要的。物理学的重要性是由于其研究的基本性决定的，而生物学的重要性是由于我们人类本身就是生物，我们自然最关心我们自身的问题。
物理学研究物质的组成和运动规律，它在各学科中天然处于基础的地位。比如：生命的基本单位是细胞，细胞是由生命大分子构成，分子是由原子构成，原子是由电子和原子核构成。而原子、电子、原子核、及组成原子核的质子、中子等都毫无疑问地属于物理学的研究对象。物理学是最具扩张力的学科，把物理学原理应用于不同领域，把其他学科的知识还原为物理学的基本原理正是驱动物理学进步的重要动力。
一般而言，今天的科学是古希腊哲学的自然发展，在古希腊哲学中探究物质的组成和运动规律是重要的话题。古希腊哲学家认为物质可由水、气、土、火四元素说予以解释，但这里不包括对生命现象的解释。生命现象的解释是通过第五种元素（以太）解释的，好像我们所说的“精气”或“元气”，人的肉体是有形的水、气、土、火组成的，只有将“元气”放进肉体，人才有生命，“元气”散去则生命消失。第五元素构成人类的灵魂，这样就解释了人类的生命现象，同时第五元素还构成天体，天体是不朽的，因此灵魂也是不朽的并有向上的趋势。古希腊哲学家还认为构成事物的水、气、土、火与第五元素是无法互相转变的，因此事物和灵魂就是完全分开的。
这种将生命现象与非生命现象截然分开的观念一直持续到近代。近代以来，科学研究特别是物理学研究获得了很大进步，牛顿力学很好地描述了天上的行星和地上苹果的运动。但通常关于生命的解释还是通过所谓活力论（vitalism）的概念进行的，即认为存在着本质上不同于寻常物质的某种东西，它们不遵从物理学规律，但可以解释生命现象。这里就存在着一个问题，即我们相信世界本质上是一套法则，还是两套法则。如果我们相信世界本质上只存在一套法则的话，生命现象也应遵从基本的物理学规律。启蒙时代的法国哲学家梅特里写了《人是机器》，认为生命不过是极复杂的机器而已，把人从仅次于神的地位上拉了下来。
即便我们相信生命能被基本的物理化学规律解释，“人是机器”这一命题也多少会令我们感到不快。梅特里生活的时代正是牛顿力学大行其道的时候，他所说的机器，其实就是机械——很多杠杆、滑轮、皮带等组成的高度复杂的机器。如果是今天的话，我们也许会把人理解为一台高度复杂的电脑。
“活力论”和“人是机器”是两种截然对立的观点。前者认为生命现象需要用本质上不同于物理学的另一套基本理论来描述；后者则认为现有的物理学理论就足以描述生命现象了。合理的立场也许是综合二者的态度，取某种中间路线，即相信生命现象本质上可被基本的物理、化学规律所解释，但这并不是已知理论的简单应用，我们也许会需要本质上是新的物理学理论。即生物学将向物理学的发展提供新的前沿和机遇。在物理学史上其实已经存在这样的例子，比如能量守恒的发现最初来源于生理和医学的研究，德国医生梅耶发现热带地区人的静脉血颜色鲜红，携带更多氧。说明热带地区人只需要消耗较少氧就能维持体温，静脉血因含氧较多，而呈鲜红色。生物学为物理学启示了能量守恒定律，它不仅适用于生命现象也普遍适用于其他情形。
19世纪末，物理学形成了以经典力学、经典电磁学和经典统计力学为组成部分的宏大体系。几乎与此同时在生物学领域也取得了革命性的进展：进化论和遗传规律的发现。那么基于19世纪末的物理学基本理论，我们能否解释进化论和遗传规律呢？对后者的回答是否定的，因为生物遗传的物质基础是DNA双螺旋结构，这只有在量子力学发现后才有可能被揭示。对于前者的回答则可能是肯定的，进化论很可能被建构在热力学的语言之上，热力学是19世纪末的物理学家熟知的。
“人是机器”这一命题还暗含着物理学中的还原主义思想，即不论多么复杂、看上去多么不同的现象最终都可还原为最基本的物理学过程，如：声音可还原为空气分子的机械振动，热现象可还原为气体分子的无规则热运动等。把细胞还原为分子，把分子还原为原子，把原子还原为电子、夸克等。这种还原主义的思想貌似合理，但实际上往往无法完成。
比如量子多体问题一般是不可解析求解的，甚至也无法计算。20年前，我们可以计算含11个相互作用电子的系统；20年后，计算能力提高了100倍，我们可计算含13个相互作用电子的系统。宏观物理系统具有
从这个角度说，集体行为不是个体行为的简单相加。凝聚态物理学家安德森（Philip W. Anderson）说：
“由基本粒子构成的巨大的和复杂的的集聚体的行为并不能依据少数粒子的性质作简单外推就能理解。正好相反，在复杂性的每一个层次之中会呈现全新的性质，而要理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。”
安德森所言并非夸张，在凝聚态物理学研究中首先被揭示出来的自发对称破缺概念也被应用于基本粒子物理的研究中，这正是2008年诺贝尔物理奖得主南部的工作，而他的这一工作正是受到了当时热门的超导研究的启发。（即大尺度物理现象的研究启发了更小尺度物理现象的研究，那么哪一个更基础呢？）这样基于不同能量层次或系统尺寸各领域研究的基础性和独立性就得到了辩护，这种反粒子物理中心主义的辩护也同样适用于反物理中心主义。
回到——什么是生物物理——这一问题。不同背景的人对此会给出不同的回答，生物背景的会说：“生物物理就是用物理学方法解决生物学问题。”典型的例子是显微镜、X射线、核磁共振等。医学背景的会想到：“物理学可以提供什么新的诊断和治疗技术”，如：gamma-刀，CT等。（更多，可阅读物理学和医学）
那么物理学背景的会怎么说呢？让我们来看几个例子：
(1)The whole problem is that we are living in the 21st century with these 19th century guilds.——J. Hopfield (CIT)
(2)Biology has provided physics with its new frontier.——R. Laughlin (Stanford), Nobel prize 1998 for quantum Hall effects
(3)Ask not what physics can do for biology, ask what biology can do for physics.——H. Frauenfelder (UIUC)
(4)what physicists brought to biology was "not any skills acquired in physics, but rather an attitude: the conviction which few biologists had at that time, that mysteries can be solved". ——Leo Szilard
如果总结一下的话就是，生物物理是物理而非生物，我们应考虑``生物学能为物理学带来什么，而不是相反''。我们将在这个意义下展开对生物物理的讨论。
那么生物学或生命现象可以为物理学带来哪些新挑战呢？简单罗列一下：
一般，生物物理的研究领域可分为（根据Physics and Biology, M.V. Volkenstein, Academic Press, 1982）：
@季燕江