保罗·戴维斯（Paul Davies），理论物理学家、宇宙学家和天体生物学家，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。有一颗小行星以他的名字命名。
戴维斯是当代知名科学作家，写过多部畅销科普作品，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。他曾因科学成就及向大众传播科学知识的卓越贡献获得尤里卡奖、英国物理学会开尔文奖和英国皇家学会法拉第奖等。《华盛顿时报》称他为“大西洋两岸最好的科学作家”。

超越边界之作……戴维斯表明，信息的观点有助
于更好地理解生命的定义特征……这种生命视角是宏
大的。
——《自然》
精彩，生动……理解生物体中的信息流，可能正
是我们的科学拼图中缺失的部分。这是个伟大的想法
。
——《卫报》
这本书适合所有喜欢打破认知界限的人。戴维斯
用轻松有趣的笔触来呈现他的探索，即使是非常深奥
的科学，也被阐释得十分清楚。
——丹尼斯·诺布尔，系统生物学先驱，牛津大
学医学部名誉教授
从物理学到生物学，从进化论到神经科学，保罗?
戴维斯在这本写作风格鲜明、引人入胜的书中，为如
下核心观点提供了强有力的例证：生命与信息流息息
相关。这本书中有很多值得深思的东西。强烈推荐。
——乔治·F.R.埃利斯，宇宙学家、数学家，开
普敦大学教授
如果你想要理解生命概念是如何演变的，就一定
要读这本书。
——安德鲁·布里格斯，纳米材料科学家，牛津
大学教授
一次探索生命相关科学的精彩绝伦之旅。
——戴维·多伊奇，量子物理学家，牛津大学教
授，2018年度“墨子量子奖”得主

当与生物打交道时，人们就能深刻地感受到物理学有
多么原始。
——阿尔伯特·爱因斯坦
薛定谔在1943年发表都柏林演讲时发起的挑战，至今
仍能引起人们的共鸣。生命能用物理学来解释吗，还是说
它是一个永恒的谜题？如果物理学能解释生命，那么现有
的物理学能胜任这项任务吗，还是说我们可能需要全新的
物理学——新概念甚至是新定律？
在过去几年中，有一个现象越来越明显，那就是信息
在物理学与生物学之间架起了一座有力的桥梁。直到最近
，信息、能量和熵之间的相互作用才被阐明，而这距离麦
克斯韦提出他那令人印象深刻的麦克斯韦妖的概念已过去
了150多年。纳米技术的进步使科学家可以开展精巧得令人
难以置信的实验，去验证涉及物理学、化学、生物学和计
算等交叉领域的基本问题。尽管这些进展已经提供了有用
的线索，但到目前为止，信息物理学在生物系统中的应用
还很零散，也不成体系。我们缺少一套全面的原则，用于
在统一的理论框架内解释生命的神奇迷箱中的所有谜题。
尽管生物信息的确是在物质中实体化的，但它并非物
质固有的。零散的信息在生物体中留下了自己的行踪，在
这一过程巾，它们并没有违背物理定律，但也不能被这些
定律解释，即我们不可能从已知的物理定律中得到信息定
律。为了恰当地将生命与物理学融合起来，我们需要构建
新的物理学。考虑到物理学和生物学之间的概念鸿沟如此
之深，而且现有的物理定律已经为构成生物体的个体原子
和分子提供了相当令人满意的解释，因此，对生命的充分
解释显然涉及总体上更深刻的东西，至少需要对物理定律
本身的性质做出修正。
自牛顿时代以来，物理学家对定律的理解一直非常狭
隘。我们熟悉的物理学是在17世纪的欧洲发展起来的，而
它一直受到天主教教义的束缚。尽管伽利略、牛顿及其同
时代的科学家受到了古希腊思想的影响，但他们对物理定
律的看法大多受到一神论的影响。根据一神论，有一个全
能的神以一种理性且明白易懂的方式指挥宇宙的运行。早
期的科学家将物理定律视为神的思想。古典基督教神学坚
持认为上帝是完美、永恒和不变的存在，超越了时空；上
帝创造了随时间改变的物质世界，但上帝保持不变。因此
，造物主和被造之物间的关系是不对等的：世界的持续存
在完全取决于上帝，但上帝则不依存于世界。既然人们认
为宇宙法则反映了神性，那么，法则必定也是不变的。
1630年，笛卡儿非常清晰地表达了这一观点：
正是上帝创造了自然规律，就像一个国王为自己的王
国制定了律法……你将被告知，如果上帝已经创造了这些
真理，那么他也能像国王改变律法一样改变他创造的规律
。对于这个问题，我们可以肯定地说：是的，要是他愿意
改变的话。但我认为它们是永恒不变的。我认定上帝同样
如此。
出于这些本质上是神学的理由，300多年前建立的物理
学呼应了固定的法则与变化的世界之间的非对称性。这一
观念已经影响我们太长时间，以至于我们很少注意到它是
一个巨大的假设。但我们没有逻辑方面的理由认为它必定
如此，也不能通过具有说服力的论证证明法则本身绝对不
变。事实上，我已经探讨过一个基础物理学中的著名例子
，它表明法则确实会随环境发生变化，那就是量子力学中
的测量行为。测量或观测一个量子系统会引发其行为的巨
变，这通常被称为波函数坍缩。我们可以对该现象做一下
简要回顾：当不受其他因素干扰时，一个量子系统（比如
，一个原子）会根据薛定谔提供的精确的数学法则演化。
但当该系统与一个测量设备结合起来，并对某个量（比如
，一个原子的能量）进行测量时，原子的状态就会突然跃
迁（坍缩）。重要的是，前一种演化是可逆的，而后一种
是不可逆的。所以，对量子系统而言，有两种完全不同的
法则：当系统不受干扰时是一种，当系统被观测时则是另
一种。注意，这里有一个与信息有关的线索。通过对量子
系统进行测量，实验者会获得关于系统的信息（比如，一
个原子处于哪个能级），但被测量系统的熵会发生跃迁。
测量之后我们对系统先前状态的了解比测量之前更少，因
为坍缩是不可逆的。所以，实验者获得了一些信息，也失
去了一些信息。
……
如果你认为这些晦涩的思考只对少数科学家、哲学家
和数学家来说很重要，那就大错特错了。它们不仅对于解
释生命很重要，还对了解人类存在的本质和我们在宇宙中
的位置而言意义重大。在达尔文之前，人们普遍认为是上
帝创造了生命。今天，大多数人都接受生命是自然起源的
。尽管科学家的确还不能对生命如何从非生命转变而来做
出完备的解释，但转而支持生命是一次性的奇迹的说法，
则又掉进了“上帝鸿沟”的陷阱，这意味着存在一个宇宙
魔术师，他偶尔会按照自己的意志移动分子，但大多数时
候都会让分子遵从同定的物理定律。然而，在“自然主义
”的宽泛范畴中，存在着非常不同的哲学（甚至神学）意
蕴。关于生命的起源，有两种对比鲜明的观点：一种是雅
克·莫

前言
第1章 生命是什么？
第2章 走近麦克斯韦妖
第3章 生命的逻辑
第4章 达尔文主义2.0
第5章 鬼魅般的量子和生命
第6章 生命的起源
第7章 机器中的幽灵
结语
延伸阅读
注释
索引

1943年2月，物理学家埃尔温·薛定谔在都柏林圣三一学院发表了题为《生命是什么？》的系列演讲。薛定谔蜚声全球，是获得过诺贝尔物理学奖的名人，也是量子力学这一有史以来最成功的科学理论的缔造者。在20世纪20年代的几年时间内，量子力学已经成功地解释了原子的结构、原子核的属性、放射性、亚原子粒子的行为、化学键、同体的热力学性质和电性质，以及恒星的稳定性。
薛定谔对量子力学的贡献始于他在1926年提出的一个新公式，陔公式至今仍以他的名字命名，描述了电子和其他亚原子粒子是如何运动和互相作用的。接下来的大约10年是物理学的黄金时代，几乎存每一个前沿领域，物理学都取得了重大进展——从反物质和宇宙膨胀的发现到预测中微子和黑洞的存在——这在很大程度上都要归功于量子力学解释原子和亚原子世界的力量。但随着1939年第二次世界大战爆发，这一黄金时代戛然而止。很多科学家离开了纳粹统治下的欧洲，去往英国或美国，为盟军出力。薛定谔也加入了流亡队伍，在1938年纳粹占领奥地利后，他离开了自己的家乡。他决定在中立国爱尔兰安家，凶为爱尔兰总统埃蒙·德-瓦莱拉（Eamon de Valera）也是一位物理学家，并于1940年在都柏林创建了一所新的高等研究院。在瓦莱拉的亲自邀请下，薛定谔带着他的妻子和女佣来到爱尔兰，在那里待了16年。
在20世纪40年代，生物学的发展远远落后于物理学。关于生命基本过程的细节仍是一个巨大的谜题，而且生命的性质似乎违背了物理学的一个基本定律——热力学第二定律。根据该定律，宇宵万物普遍倾向于衰败和无序。在都柏林的演讲中，薛定谔提出了这样一个问题：“发生在生物体空间边界内的时空事件，如何用物理学和化学来解释？”换句话说，生物体令人困惑的属性最终能否被还原为原子物理学或者其他事物呢？薛定谔提出的这个问题非常重要，因为生命要从无序中产生有序，并符合热力学第二定律，就必定存在分子实体，该实体能够以某种方式为形成生物体而编码指令，同时其本身要足够复杂，以嵌入大量信息；此外，它还要足够稳定，以对抗热力学的降解效应。现在我们知道，这种分子实体就是DNA。
随着薛定谔提出这些极为敏锐的洞见，以及他的系列演讲在第二年被结集出版，分子生物学领域出现爆发式发展。紧随其后的是，科学家阐明了DNA的结构，破解了遗传密码，并将进化论与遗传学整合起来。分子生物学取得了如此迅猛、如此广泛的成功，以至于大多数科学家都采纳了一种强还原论：生物体那些令人惊讶的性质最终似乎的确可以单靠原子和分子物理学来解释，而无须借助任何全新的理论。然而，薛定谔本人并不那么乐观，他写道，“……尽管就目前所知，生物体还没有摆脱‘物理规律’，但它有可能涉及我们迄今尚未发现的‘其他物理规律’……”在这个问题上，不只有他一个人这样认为。尼尔斯·玻尔和沃纳。海森堡等量子力学的其他缔造者也觉得，解释生物体的性质可能需要新的物理学来发挥作用。
强还原论至今仍流行于生物学领域。传统观念坚信，已知的物理学足以解释生命现象，即使大多数细节问题还未完全搞清楚。我不同意这种看法。与薛定谔一佯，我认为生物体清楚表明了更深层次的新物理学原理的存在，并且我们正处于揭示和利用这些原理的临界点。今日与过往有何不同，为什么我们花了好几十年的时间才发现了生命的真正秘密？答案在于，这种新物理学并不涉及额外的力，比如“生命力”，而是发现了更微妙的东西，它能将物质与信息、整体与部分、简单性与复杂性交织起来。
这种东西就是本书要探讨的核心话题。
P3-5

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，而这些事情却是非生物做不了的？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。

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，而这些事情却是非生物做不了
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
独特性一开始来自哪里？
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。由于
我不是一位生物学家，而是一位物理学家和宇宙学家，所
以，在处理这些重要问题时，我将避开大多数技术细节，
而主要关注基本原理。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热
门的问题：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
达尔文逃避的问题。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
来进化的产物，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
一个全新的跨界科学领域，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，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
自己的系统动力机制。正是在这种丰富而复杂的信息流动
过程中，行为主体概念产生了，这一概念又与意识、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。
科学家才刚开始将信息的力量理解为一种“因”，它
能真正让世界变得不同。最近，结合了信息、能量、热和
功的自然规律已经被应用于生物体，从DNA（脱氧核糖核酸
）层面到分子机制，再到神经科学和社会组织，甚至延伸
到行星尺度。从信息理论的视角看，生命产生的画面非常
不同于传统的生物学解释，后者着重强调了解剖学和生理
学的变化。
很多人帮助我整合了本书的内容。我在书中提出的很
多观点都源自我的同事、美国亚利桑那州立大学科学基本
概念超越中心副主任萨拉·沃克（Sara Walker）。在过
去5年多的时间里，她对我的思想产生了巨大影响。萨拉与
我一样，对围绕信息概念构建物理学和生物学的大统一理
论抱有极大热忱。“生命是物理学的下一个重大前沿领域!
”她宣称。我也与我们研究团队中的亚利桑那州立大学学
生和博士后进行了讨论，并受益良多。此外，我还要特别
感谢阿莉莎·亚当斯（Alyssa Adams）、金贤珠（Hyuniu
Kim）和科尔·马蒂斯（Cole Matthis）。在我的那些杰
出的亚利桑那州立大学的同事中，雅典娜·阿克提皮斯
（Athena Aktipis）、阿里尔·安巴尔（Ariel Anbar）
、曼弗雷德-劳比奇勒（Manfred Laubichler）、斯图尔
特·林赛（Stuart Lindsay）、迈克尔·林奇（Michael
Lynch）、卡洛·梅利（carlo Maley）、蒂莫西·纽曼（
Timothea Newman，现就职于英国邓迪大学）和特德-帕夫
利克（Ted Pavlic）为我提供了特别有用的帮助。此外，
我十分感谢这些年来与我交流过的如下学者：美国密歇根
州立大学的克里斯托夫·阿达米（Christoph Adami）、
巴西里约热内卢联邦大学的格雷戈里·蔡廷（Gregorv
Chaitin）、美国加利福利亚大学戴维斯分校的詹姆斯·克
拉奇菲尔德（James Cmtchfield）、英国牛津大学的安德
鲁·布里格斯（Andrew Briggs）、美国纽约大学的戴维
·查尔默斯（David Chalmers）、英国格拉斯哥大学的李
·克罗宁（Lee Cronin）、美国麻省理丁学院的马克斯·
泰格马克（Max Tegmark）、美国应用分子进化基金会的
史蒂文·本纳（Steven Benner）、英国布里斯托大学的
迈克尔·贝里（Michael Berry）、南非开普敦大学的乔
治·埃利斯（George Ellis）、日本东京地球生命科学研
究所和美国普林斯顿高等研究院的皮特·胡特（Piet Hut
）、美国系统生物学研究所的斯图尔特·考夫曼（Stuart
Kauffman）、澳大利亚国立大学的查尔斯．莱恩威弗
（Charles Lineweaver，他开玩笑说不同意我说的和我写
的几乎所有东西），还有美国国家航空航天局（NASA）埃
姆斯研究中心的克里斯托弗·麦凯（Christopher McKay
）。
在澳大利亚，阿德莱德大学的德里克·阿博特（Derek
Abbott）为我阐明了生物物理学的几个方面；悉尼加文医
学研究所主任、寓有远见的约翰·马蒂克（John Mattick
）告诉我，遗传学和微牛物学中的很多问题都还没有定论
。悉尼大学的保罗·格里菲思（Paul Griffiths）为我提
供了关于进化论和表观遗传学本质的深刻洞见，同时悉尼
大学的米哈伊尔·普罗科片科（Mikhail Prokopenko）和
约瑟夫·利齐耶（Joseph Lizier）帮我形成了对网络理
论的思考，并提供了一些批判性的反馈。英国萨里大学的
约翰乔伊·麦克法登（Johnjoe McFadden）和吉姆·艾尔
一哈利利（Jim A1一Khalili）、美国加利福尼亚大学伯
克利分校的比吉塔-惠利（Birgitta Whaley）和科普作家
菲利普·鲍尔（Philip Ball）为本书第5章提供了有价值
的建议。美国韦恩州立大学的彼得·霍夫曼（Peter
Hoffmann）善意地澄清了某些关于棘轮的细节问题。美国
威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼（Giulio
Tononi）及其同事拉丽莎·阿尔巴塔基斯（Larissa
Albantakis）和埃里克·赫尔（Erik Hoel，现在哥伦比
亚大学工作），耐心地帮我梳理了我对集成信息理论的混
乱想法。美国圣菲研究所也为我提供了启发，戴维·克拉
考尔（David Krukauer）和戴维·沃尔珀特（David
Wolpert）的博学令我钦佩。美国塔夫茨大学的迈克尔·莱
文（Michael Levin）是一位非常棒的合作伙伴，也是我
认识的最具开拓精神的生物学家。我还与计算机工程师、
商业咨询师佩里·马歇尔（Perry Marshall）进行了热烈
讨论，受益匪浅。
我对癌症研究的初步涉猎让我接触到一大批优秀又聪
明的专家，他们帮助我理解了癌症和一般意义上的生命是
怎么回事。在亚利桑那州立大学，我与金伯莉·伯西
（Kimberly Bussey）和路易斯-西斯内罗斯（Luis
Cisneros）就与癌症相关的项目展开紧密合作，并得到了
加拿大西安大略大学的马克·文森特（Mark Vincent）和
美国普林斯顿大学的罗伯特·奥斯汀（Robert Austin）
的重要帮助。通过与位于墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中
心的戴维·古德（David Goode）和安娜·特里格斯
（Anna Trigos）以及芝加哥大学的詹姆斯·夏皮罗
（JamesShapiro）交流，我对癌症遗传学的认知有了极大
的进步。我还受到明娜·比斯尔（Mina Bissell）、布伦
登·考文垂（Brendon Coventry）和西娅-特尔斯蒂
（Thea Tlsty）的著作的影响。当然，其他很多人的著作
也影响了我，在此无法一一列举。我还要感谢美国国家癌
症研究所慷慨地给予了我5年的授权，让我能够获得大量癌
症研究报告；感谢南特沃克斯公司（NantWorks）对我研究
的持续支持。美国国家癌症研究所前副主任、现在我在亚
利桑那州立大学的同事安娜·巴克（Anna Barker）极富
远见，她鼓励我进入癌症研究领域。
我还要感谢企鹅出版集团——我忠实的出版商，尤其
要感谢汤姆·佩恩（Tom Penn）、克洛艾·柯伦斯
（Chloe Currens）和萨拉·戴（Sarah Day），他们出色
地编辑了本书英文版。
最后，我要感谢保利娜·戴维斯（Pauline Davies）
，她完整和仔细地阅渎了本书三个版本的初稿，每次都会
做出修改，并附上大量注释。过去一年中，我们每天都会
在一起探讨本书的诸多细节。在她的帮助之下，本书内容
有丫很大改善。没有她对我写作计划的持续支持，没有她
坚持不懈的“哄骗”，没有她敏锐的智识，本书的写作绝
不会网满完成。
保罗·戴维斯
悉尼和凤凰城，2017年12月

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划时代的问题，他指出：我们需要新物理学来给出答案。
这本书从这个经典问题出发，结合香农的信息论、达尔文的进化论和诸多领域的前沿研究，将量子力学应用于生物学、计算科学等领域，超越各个学科的界限，用全新视角探究生命的本质。书中提出了一个突破性的观点：生命=物质+信息，分子结构是生命的“硬件”，信息结构则是生命的“软件”。生物体中含有大量高效的微型机器，它们聪明地处理和控制着信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序。进化让这张隐形的信息网络不断升级。
保罗·戴维斯将生物学、物理学、数学、化学、信息科学、医学和哲学等领域融为一体，引领了极具洞见的全新交叉学科。这种新科学涉及信息引擎、生物电路、癌症基因、量子计算机等众多前沿科学领域，用信息的观点重新解读生命之谜。
这是一本探索生命起源及内在逻辑的生物物理学普及读物，也是一次让人大开眼界的跨学科前沿探索之旅。
让智力探险，思想旅行，一起寻找生命秩序的隐秘动力！