1. 从夸克、字符串到细胞、鲸
在进入此前提出的一些宏观问题之前，我想先绕一个小弯，谈谈一段偶然的旅程，正是这段旅程促使我从研究物理学的基本问题转向研究生物学的基本问题，最终进入社会经济学的基本问题，这些问题与全球可持续发展的重要问题密切相关。
1993年10月，美国国会在得到总统克林顿的同意之后，正式取消了有史以来规模最大的科研项目，而在该项目上的投入已经接近30亿美元。这个特别的项目便是超导超级对撞机，如果再加上其探测器，可以说这是有史以来最大的工程学挑战。超导超级对撞机就像一个巨大的显微镜，能够探究数百万亿分之一微米的距离，其目的在于揭示物质基本成分的结构和动力学原理。它将会为检验由基本粒子理论预测提供重要的证据，有可能会发现新的现象，并为自然界所有基本力的所谓“大一统理论”奠定基础。这一宏大的愿景不仅将会加深我们对万物构成的理解，而且将为“宇宙大爆炸”以来宇宙的进化提供更加重要的洞见。从多层意义上来说，它都代表了人类作为唯一一个被赋予足够的意识和智力的物种以应对揭示宇宙最深层次秘密这一无穷挑战的最崇高理想，或许还会为我们作为宇宙自我认知主体的存在找到原因。
超导超级对撞机的规模庞大，它的周长超过50英里，能够把质子加速到20万亿电子伏特（eV）的能量，制造成本超过100亿美元。为了让读者有一个直观认识，电子伏特是构成生命基础的化学反应的基础能量，超导超级对撞机中质子的能量将是目前正在日内瓦运行的大型强子对撞机中质子能量的8倍，后者因最近发现了希格斯粒子而成为世界瞩目的焦点。
超导超级对撞机被叫停缘于许多可以预想到的因素，包括不可避免的预算问题、经济形势、针对超导超级对撞机制造地——得克萨斯州的政治怨恨、缺乏想象力的领导层等，但该项目被终结的一个主要因素是传统大型科学项目所处的负面环境，尤其是物理学。［1］这种负面环境有多种形式，其中一种得到了我们许多人的认同，那就是我在前文中多次重申过的：“19世纪和20世纪是物理学的世纪，21世纪将是生物学的世纪。”
即便是最自大、最固执的物理学家也很难不同意，生物学很可能会超过物理学，成为21世纪占据主导地位的学科。但令我们很多人感到愤怒的是，有人经常直言不讳地就此宣称，没有必要再对基础物理学开展进一步的基础性研究了，理由是我们已经了解了所有需要了解的物理学知识。糟糕的是，超导超级对撞机就是这种误导性的狭隘思维的产物证明。
当时，我正负责洛斯阿拉莫斯国家实验室的高能物理项目，我们正在为超导超级对撞机制造两个主要探测器中的一个。有人可能不熟悉，“高能物理”是探讨关于基本粒子、基本粒子之间的相互作用及宇宙意义等基础问题的物理学分支。我是一名理论物理学家（现在依然是），当时的主要研究兴趣就是这个领域。针对关于物理学和生物学的轨迹不同的挑衅性说法，我的本能反应是：的确，生物学几乎肯定会成为21世纪占据主导地位的学科，但它若要真正取得成功，就必须接受物理学赖以取得成功的定量、分析、预测这样的文化。生物学需要在它们依赖于统计学、唯象学和定性观点的传统研究方式中整合一个全新的框架，即一个基于数学或可计算的基本原理而构建的理论框架。令我感到很羞愧的是，我当时并不了解生物学，这种情感上的迸发大多源自自大和无知。
尽管如此，我还是决定付诸行动，开始思考物理学的范式和文化如何才能帮助解决生物学面临的有趣挑战。当然，曾经有几位物理学家在生物学领域做出了极为成功的探索，其中最著名的或许就是弗朗西斯·克里克（Francis Crick），他和詹姆斯·沃森（JamesWatson）一道确定了DNA的结构，颠覆了我们对基因组的了解。另一位是伟大的物理学家薛定谔（ErwinSchr?dinger），他是量子力学的奠基人之一，他在1944年出版的《生命是什么》（ What Is Life? ）一书对生物学产生了极大的影响。［2］ 这些例子都表明，物理学或许会有一些有趣的事情要告诉生物学，这也促使一小部分但越来越多的物理学家跨界，为新生的生物物理学添砖加瓦。
当超导超级对撞机项目被取消之时，我刚刚50岁出头。就像我在第1章中所说，我越来越清醒地感觉到衰老过程的入侵及生命的有限性。鉴于我的家族中男性的糟糕记录，我开始通过学习衰老和死亡思考生物学，这看上去非常自然。由于它们是生命最普遍、最基本的特征，我天真地以为人们已经了解了它们的全部。令我感到极为吃惊的是，并不存在为人们所普遍接受的关于衰老和死亡的理论，而且这个领域相对较小，仍然很闭塞。此外，物理学家很自然地会问到的一些问题也没有得到解答，如我在第1章中所提的那些问题。尤其是，人类100年的寿命从何而来？有关衰老的定量、可预测理论的构成成分是什么？
死亡是生命的本质特征。毫无疑问，它是进化论的必要特征。进化过程的必要组成部分之一便是个体最终会死亡，其后代才能遗传基因的全新组合，并最终通过自然选择新特点和新变化加以适应，实现物种的多样性。我们所有人都必须死亡，才能让新生代茁壮成长、探索、适应并进化。史蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）曾说 ［3］ ：没有人想死。即使那些想上天堂的人，也想活着上天堂。死亡是我们每个人的人生终点站，没有人能够成为例外。生命就是如此，因为死亡很可能是生命最好的造物，它
是生命更迭的媒介，送走耄耋老者，给新生代让路。
鉴于死亡的重要性，以及死亡的先兆——衰老的重要性，我原以为我可能会拿起一本生物学入门教材，找到一个完整的章节阐释这些，作为讨论生命基本特征的一部分，如同讨论出生、生长、繁殖、新陈代谢等一样。我曾希望看到关于衰老机械论的教学总结，其中会包括一个简单的计算，表明我们为何只能活100年，并回答我在前面提到的所有问题，但我没有这个运气。教材中根本就没有提到这些，也没有任何提示表明这些是人们感兴趣的问题。这实在令人感到惊讶。尤其是在出生之后，死亡是一个人生命中最惨痛的生物事件。作为一名物理学家，我开始怀疑，生物学在多大程度上算得上一种“真”科学（当然，这意味着它要像物理学一样），如果它不关心诸如此类的基本问题，它如何能够主宰21世纪？
除了一小部分醉心于此的研究人员之外，生物学领域的大部分人都明显缺乏对衰老和死亡的兴趣，这促使我开始思考这些问题。看上去几乎没有人从定量或分析的角度思考这些问题，或许可以用物理学方法获得某些小进展。于是，在与夸克、胶子、暗物质、弦理论打交道的间隙，我开始思考死亡。
在我开始涉足这个新方向之后，我反思生物学作为一门学科及它与数学关系的做法得到了令我意想不到的支持。我发现，我曾经认为是颠覆性的思考早在100年前就被知名且有些古怪的生物学家达西·温特沃思·汤普森（D’Arcy WentworthThompson）爵士在其出版于1917年的经典著作《生长与形态》（ OnGrowth and Form ）一书中清晰、深刻地表达过了［4］ 。
这是一部精彩绝伦的著作，不仅在生物学界，而且在数学、艺术、建筑等领域都一直备受尊崇，影响了艾伦·图灵（Alan Turing）、朱利安·赫胥黎（JulianHuxley）、杰克逊·波洛克（Jackson Pollock）等思想家和艺术家。它持续受到欢迎的一个证明是，该书依然在重印。
著名生物学家、“器官移植之父”、曾因移植物排斥和获得性免疫耐受理论获得诺贝尔奖的彼得·梅达沃（Peter Medawar）爵士把《生长与形态》一书称作“所有科学书籍中以英语口语记录的最佳文学作品”。
汤普森是一位多才多艺的巨匠，也是一大批跨领域、多领域科学家和学者中的代表人物，这些科学家现如今已经难寻踪迹。尽管他的主要影响是在生物学领域，但他同时也是一名成绩斐然的古典主义者和数学家。他曾当选英国古典协会主席、皇家地理协会主席。他在数学领域也取得了丰硕的成果，成为享有声望的爱丁堡数学学会的荣誉会员。他来自一个苏格兰知识分子家庭，就像伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔一样，他的名字可能会让人联想到维多利亚时代小说中的虚构人物。
汤普森的书的开头引用了德国著名哲学家康德的话，康德曾经说过，他那个时代的化学“是一门学科，却不是真正的科学”。他的意思是，“真正科学的标准在于与数学的关系”。
汤普森继续讲述道，现在存在以基本原理为基础的可预测“数学化学”，并因此将化学从“一门学科”提升至“真正的科学”。而生物学依然是定性研究，缺少数学基础或原理，因此只能算是一门学科。只有在吸收了数学物理原理后，才能“毕业”成为“真正的科学”。尽管几个世纪以来，生物学取得了非凡的进展，我发现，汤普森对生物学的具有挑衅意味的论断时至今日依然成立。
尽管1946年被英国皇家学会授予达尔文奖章，但汤普森依然对传统的达尔文进化论持批评态度。原因在于，他认为生物学家过度强调自然选择的作用，以及“适者生存”作为生物体形态和组织的基本决定因素，而未能认识到物理学定律的作用及其在进化过程中的数学表述的重要性。他质疑中的基本问题依然未得到解答：是否存在可以被数学化的“生命的普遍规律”，以使生物学可以被阐释为一门可以预测的定量学科？他是这样说的：
我们必须牢记，在物理学中，伟大的人发现了简单的事情。没有人可以预料，数学可以描述及物理学可以解释身体的构成到什么程度。或许所有的能量规律、所有的物质性质、所有胶体的化学性质都无力解释身体构造，因为它们都无法理解灵魂，但我并不这么认为。物理学没有告诉我灵魂如何支配身体，生物如何影响思想和如何被思想影响是一个毫无头绪的谜题。生理学家的神经通路和神经元并不能解释意识，我也没有向物理学求教，上帝如何照耀人们的脸庞，恶魔如何背叛自身，但在身体的构造、生长和运行等世俗领域，依照我的浅薄认识，物理学是我们唯一的老师和向导。
这就很好地解释了现代“复杂性科学”的信条，意识是涌现系统现象，而不是大脑中的神经通路和神经元的总和所引发的后果。《生长与形态》一书是用学术语言写就的，但可读性很强，令人吃惊的是很少使用数学语言。这本书没有宏大原理的声明，只有一个信条，即用数学语言书写的物理学自然法则是生物学生长、形态和进化的主要决定因素。
尽管汤普森的书并没有解决衰老和死亡的问题，也没有提供特别的裨益或先进的技术，但其哲学为思考并运用物理学观点和技巧解决生物学中各种各样的问题提供了支持与灵感。
在我看来，这指引我把人体比作机器，它需要喂料、维护、维修，但最终都会损坏并“死亡”，就像汽车和洗衣机一样。然而，为了理解衰老和死亡，无论是动物、汽车、公司还是文明，人们都先要了解是什么过程和机制让它们得以存活、运转，再了解它们是如何随着时间的推移而退化的。这很自然地会让人们思考维持存在与可能的增长所需的能量和资源，以及分配能量和资源用于维护与维修，减少损坏、退化、磨损等带来的破坏性力量所产生的熵。这一思路使我最初将重点放在新陈代谢在维系我们的生存方面所起到的核心作用上，而不是询问生命为何不能永久持续下去。
