翁羽翔
“简单”与“复杂”是人们在分析客观事物时所归纳出的两个极端属性，也是描述客观事物被人了解及把握难易程度的感观印象。为此“简单”与“复杂”既有客观的一面，也有主观的一面，因人而异，因事而异。只要人类现代文明进程不被终止，“简单”与“复杂”将会是一个永恒的话题，争辩也将永无休止。
总体而言，简单是对事物的一种高度概括，只有真正捉住了事物的本质，越是简单平静的叙述，就越具有摄人心魄、令人永世难忘的魅力。“大道至简”，惟有得道者方能抵达至简的窘境，说出至简的大街，没有一番复杂的修练和经历何尝能悟出事物的本质！古今中外，可谓得大街者又有几人？
面对战乱的痛楚，生离死别的感伤，每一个人、每一个家庭都有一个说不尽道不完的故事，但是托尔斯泰居然冷冷地说道：“幸福的家庭都是相像的，不幸的家庭各有各的不幸”，自此任何一部凡俗小说都离不开托翁划定的圈子。《圣经》则愈发简单，对未来事物的概括也就用了几个字“阳光下边无新事”。中国唐代哲学家、道教的鼻祖老娘企图阐明万物运行所遵守的大街，在其《道德经》的开头便写道：“道可道，非常道”，在我看来这句话“简”则简矣，而“了”则未了。可见要做到简单而又明了是一件多么难的事。
简单只是为这些早已经历了复杂历练过的人所打算的，只有经历了复杂，就能感悟简单的惊艳力；只有在复杂基础上内蕴下来的简单，才能有生命力。因而对于其实简单的事物要追究其复杂的一面，对于复杂的事物当尽量约化出简单的道理。对于人生也是这么：年青人要丰富其人生和学识，执经拷问；年长者则应浓缩其人生的精髓，宣示后人。而读书求学，便是一个将书本变厚，之后再将其变薄的过程。
化学是追究物质运动本原的学科，精确的定量描述是化学学科的生命。但是简约的叙述仍然不失为化学学的重要法则。好在再复杂的问题经化学学家用微分多项式一叙述下来，就变得除了是方式简单，但是还美得令人窒息：精典热学中牛顿第二定理可表示为距离对时间的二阶微分；电动热学中麦克斯韦电磁波多项式表示为时间的一阶微分，空间的二阶微分；量子热学中的薛定谔多项式为时间的一阶微分，空间的二阶微分。这种简约的抒发是在复杂的实验和理论的基础上被总结和推论下来的。简约规律在化学学中获得巨大的成功，激励了一些顶尖数学学家开始思索更为复杂的生命现象，希望给出和化学学一样具有统一性的法则。作为量子热学奠基人之一的薛定谔更是开风气之先，开创了把数学学和生物学综合在一起去思索生命现象本质的新思路。他用原子间物理键的作用，解释生物大分子结构的稳定性；用生物大分子中有关元素的空间排列解释“遗传密码”，并把自己的思想写进一本名为《生命是哪些》的小图册。这种石破天惊的看法直接催生了DNA作为遗传密码载体的发觉。
基于数学学的成就，化学学家也饱含了自信。18—19世纪在科学界处于统治地位的拉普拉斯决定论就是一个挺好的反例。决定论觉得宇宙像时钟那样运行，某一时刻宇宙的完整信息才能决定它在未来和过去任意时刻的状态，按照这一论断，宇宙的事物运动满足一组微分等式，给定初始条件和边界条件，就可精确估算未来时刻的运动状态。也就是说，简单的微分等式组包含了所有复杂而精确的信息。但是事实上，在万有引力场中，一个据说简单的三体运动问题就打破了决定论的幻想，由于到目前为止三体问题在物理上难以精确求解。再如天气预报，也要求解非线性微分等式组，但是在求解过程中发觉了混沌现象。所谓混沌（Chaos）是指发生在确定性系统中的似乎随机的不规则运动。一个由确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性、不可重复、不可预测，这就是混沌现象。混沌现象最初是由法国气象学家洛伦茨在20世纪60年代初研究天气预报中大气流动问题时碰巧发觉的。混沌现象表现为对初始条件的极端敏感性，即初始条件非常微小的变化经过不断放大，对其未来状态会导致非常巨大的差异。洛伦茨用“蝴蝶效应”来生动地比喻这一现象：亚马逊雨林一只蝴蝶翅膀时常震动，其实两周后才会导致英国佛罗里达州的一场龙卷风。混沌现象再度打破了拉普拉斯决定论，同时也表明，复杂的事物可以还原为简单的规律，而从简单的规律却未能完全诠释出复杂事物的全部。这也部份阐明了“简单”与“复杂”之间的关系。“复杂”尽管令人眩晕，但其从来就是不可缺乏的。
但是对于科学的传播者而言，大众对其提出的简单化原则的要求除了合理也很正当。尤其在科学传播的时侯，要求我们把复杂的学问做得像作家席慕容所渴望的、功效如硼砂那样的诗：
“他们说在水底放进
一块小小的硼砂
能够沉淀出所有的
残渣
这么假如
若果在我们的心里
放进一首诗
是不是也可以
沉淀出所有的
明日”
我们可敬的科学家们，当你面对一双双饱含盼望而又有些茫然的双眼的时侯，我忍不住要轻轻地问一声：“你的硼砂打算好了吗？”
2014年1月9日，《物理》编辑部组织的Mind活动在化学所M楼的奶茶厅举办，第一次主题报告的报告人是上海学院化学大学、北京学院理论生物中心的欧阳颀教授。欧阳老师早年以研究非线性物理反应中的图灵斑图以及螺旋波而知名，后来其研究以非线性动力学为核心，以化学为基础，逐步将研究方向延展到系统生物学、合成生物学、定量生物学，产生了化学与生物学交叉的研究风格。
他报告的题目是“生物定量理论研究对化学学与应用物理的挑战”。上世纪的数学学家在生物学家面前曾表现出与生俱来的傲慢，比如上世纪60年代一位知名的化学学家在瑞典第35任首相肯尼迪的格言“不要问国家能为你做些哪些，而要问你能为国家做些哪些”的启发下，更是喊出了“不要问数学学家才能为生物学家做些哪些，而要问生物学家才能为化学学家做些哪些”的标语(引自欧阳颀老师的报告)。欧阳老师作为21世纪从事化学与生物学交叉学科研究的化学学家却变得豁达有加。不同于上世纪的高手，欧阳老师的开场白就足以表明他的立场：“不要问生物学家才能为化学学家做些哪些，而要问数学学家才能为生物学家做些哪些”。
欧阳老师报告的第一部份介绍了她们在系统生物学方面的研究进展，即用非线性动力学的理论来解释生物系统。从系统的角度来看生物，生物便是一个整体。而这个整体的核心部份，就是它的生物网路。假如把网路的每一个节点看成一个变量，那就可以构建起一个特别复杂的非线性动力学多项式组。网路本身的结构、非线性动力学多项式的动力学性质以及这个网路的功能，这两者之间有着十分紧密的关系。她们的工作，就是研究这种关系。其中具有挑战性的问题是，平均场方式对于研究系统包含大量参与者，是一种非常有效的数学统计和物理手段(如气温反映的是分子运动的统计平均速率)，而该方式不适用于个别特殊的复杂生物体系，例如生物中偏离平均场分布而服从幂率分布的系统。因而有必要发展新的物理化学方式。令人印象最深刻的一个反例是细胞自噬过程中的p53蛋白质控制网路。欧阳老师团队从这一还算不上复杂的蛋白质控制网路中，提取出了30多个对时间为一阶求导的联立动力学等式组以及82个动力学参数，研究表明，上述等式组才能定量描述网路的控制行为。
另一方面的内容是她们近来所做的合成生物学方面的研究。这门学科从工程角度来讲，就是创造一个新的东西来为人类服务；从科学角度来讲，就是在创造的过程中，进一步了解生物系统。她们在这方面所做的工作是要给一个生物创造它本身没有的功能，或则把这个生物没有、而别的生物有的功能转移给它。巴普洛夫证明了狗有条件反射，而一个大肠弧菌是没有条件反射的，她们要设计一个网路、一个控制系统，把条件反射迁往大肠球菌起来，让它有这个功能。
欧阳颀老师的报告导致了与会者的极昌平趣，也引起了热烈的讨论。为了尽量保持讨论的原样，笔者不准备考证其中引用事实的可靠性和精确性，请读者将下述文字材料当成随便浅谈，而不应将其当做公开报导的事实加以引用(以下录音由《物理》编辑部整理)。
1.目前生物学的规律还不太清楚，可以从简单的生物学问题着手，也可以进行复杂的研究，由于要找到规律。欧阳老师报告中所举体温的事例挺好，系统中可能有1020个分子，假如你一组一组的做，研究到了1010时，你把规律拼上去，这个推论是错的，它一定是个愈发基本的规律，比如玻尔兹曼分布等等。在没有办法的情况下，作为初步研究，我们从简单单元往上做，很可能最后得到推论。也可以你们想办法，找到一个愈加复杂的规律物理学科故事，然而目前还没有办法。研究过程中可能会有模糊的阶段，做到一定的程度，渐渐就清楚了。六年前，李政道先生对生命科学的剖析是，要解决生命科学的问题，须要所有的学科平等协调的发展。说实话，这是个阶段的问题。所谓的阶段问题只有几个，一个是基本粒子，夸克之间的互相作用问题；一个是天体演变问题；还有一个是生物复杂系统问题。生物复杂系统问题可以做一个具体研究课题，由于它的数据好多。生命科学家是解决不了的，物理家也解决不了，化学学家和物理家可以做一些工作。可能须要通过几六年的努力，才才能得到比较清楚的认识，像我们对热力学统计数学的概念，那个意义上的理解。有没有年青人感兴趣解决复杂系统问题？投入到这个领域里面去工作，是很有意思的。
2.这么复杂的等式，虽然解了，也没有哪些意义，等式跟生物的实际情况差得很远。
3.写下来三页纸的等式只是瞧瞧，你可以得到任何你想要的结果，由于有发散的参数，把多项式改成半页纸，1/4页纸，参数甚少才有用。
4.多项式还是有价值的，不在于细节的描述，在于理解的过程，其描述的一些现象，你可以用实验去验证。我们这个等式做出了预测，早已有一些推论了。由于非线性动力学在局部的剖析中已然成功了，那我们就可以用这种去作预测，这些预测是对的。这个多项式并不是完全没有意义的，只是我没有工具去剖析它。实际上这82个参数，80%不用去检测。生物有一个特点，称作结构稳定性，就是生物网路搭建的形状，它的拓扑结构，致使它的大部份参数都是稳定的，所以参数多少不影响多项式本身。这是生物进化过程中生成的。
5.可以构建柔性等式。经过统计估算，可以发觉重要参数和不重要参数，约化一些不重要参数，借助少数等效参数取代冗长的冗余参数。其实统计数字有时侯会出错，错误的统计数字是不能拿来猜想的。
6.我目前在研究城市的人口分布，所以对复杂系统的幂级数比较感兴趣。人占多大面积、经济和人的关系最后统计下来都是复杂系统。化学学家仍然觉得复杂系统都可以分解为一个一个小的东西，一个一个小的东西都可以写成物理的等式，于是物理多项式就一个加一个，最后可能加到几万个。我被普及了蝴蝶效应，南非洲亚马逊河的一只蝴蝶扇一下翅膀，那边冒出洪水来了。一个哲学的问题，自然界的一切是不是都是上帝安排的一个个小的等式，一些数理多项式，或则偏微分多项式。这个假定，是不是无形之中牛顿和莱布尼茨给我们灌输了这个东西，可能有些现象是永远不能用方程说清楚，而且如今我们仍然都在根据这个办法在做。写成的多项式就跟芽菜一样，就是乐谱，看不下来才能写出一个贝多芬的音乐来，无法操作无法弄。地质学里面，有一个人花了几六年，就研究变质岩系统，用多项式写下来，还得了不少奖。他把原先简单的问题弄复杂了。科学就是两个问题，一个是把复杂的问题简单化，一个是把简单的问题复杂化。虽然他就是想说明铜矿是分带性的，原先就是18世纪金矿学说的分带性。各个学科里都有这样的人。
7.数学规律有两种，一种是十分微观的，动力学确定的，包括精典的牛顿热学以及量子热学；还有一种是统计规律，是热力学与统计数学。据我了解，你可以构想两个之间可以沟通，1020这样一个量级粒子的定性估算，后者的确定性的估算会得到前面的结果，这个实际上是做不到的，如今还做不到。所以是可以沟通并且实际上是做不到的。对于生命科学，两个都须要，更须要的是新的统计规律。须要化学学家和物理家想办法。确定的规律也是须要的，比如两个生物分子之间的互相作用，它的信息不是大量的，是少量的。
8.你借助下一层次的知识可以去理解一些上一层面的事物，而且你不要指望还能解决所有碰到的问题。比方说，量子热学学得好，你就能猜出原子内部大致是哪些结构，但不等于说你就才能推导入元素周期表。
9.可能你们觉得电子学用的最多是晶体管物理学科故事，而且现代电子学最重要的是数字化。只有实现了数字化之后，电子学才得以迅猛发展。对于研究生物学这个庞大的体系，倘若一开始的时侯就把它数字化，举个事例，用傅里叶变换去分解它的性质，不管是动量空间还是位置空间，传播它的统计特点，寻求特点量的问题，大约所走的路是不一样的。
10.集成生物学由最基本的生物体元素组成，但我们对最基本的元素并不了解。另外一方面，有机世界和无机世界是不一样的。在无机世界，对于同一系统，同样的输入到系统以后，还会形成一个确定输出。但对于一个生物的世界，集成的一个生物体，同样的输入不一定是同样的输出。如同人对于一件风波的觉得不一样，像遇见下雨，有人高兴，有人不高兴。同样的输入不一定形成同样的输出。生命现象远比我们企图借助机械观点的解释来得更为复杂。
11.对于电子元件，可以做到双向性的传导，信息是双向的或则单向的。生物学很难做到这一点。下一层一定会对上一层有反馈，都会带着这个反馈继续步入旁边，致使你搭建的东西跟你想像的结果是不一样的。
12.生物化学学的目标是哪些？
13.现今的红色能源、生物物质、生物燃料、生物医药、生物装备等，这种都是以生命规律为基础，设计一个元件，有可预测性。真正做到一定程度的时侯，怎样控制邪恶的念头是很大的社会问题。
14.能量、信息，你们都晓得是哪些意思，从数学的角度说，生命究竟是哪些意思？
15.生命是基于遗传信息、蛋白质为基础，有活性信息的个体。
16.活性又是哪些意思？
17.历史上有大化学学家努力企图去解答这个问题，薛定谔1943年把在苏黎世的几个讲堂凑在一起出版的一个小图册“Whatislife”，薛定谔不是生物学家，这本书有点形而上的思索，而且这个思索影响很大。第一点，它强调生命和无生命的根本区别就是生物体内应当存在个别单元，专门拿来做信息储存和信息传递。到1957年有人由于确认了DNA的双螺旋而获得了诺贝尔奖。第二点是说如果生物体内真的存在对信息进行编码并能遗传的单元，它应当是哪些样的结构？水那样的物体或则无定型态的物质肯定不行，编码的信息量太小。反过来，严格有序的晶体结构肯定也不行，严格的周期性也限制了信息编码。于是薛定谔提出准周期()的概念，这对理解基因组是十分重要的概念。1984年人们在铝锰合金中发觉了准晶结构，获得了2011年度的诺贝尔物理奖。这就是化学学家的贡献，随意写一点，被其它学科应用了就获得诺贝尔奖了。
18.生物是物质化的东西，最终还是要还原到物质控制的层面上，并才能反过来改建生物。这点是基本的信念，我认为应当是这样的。我们从小学开始就赞扬父爱，有三天见到一篇实验研究的报导，对我严打很大：有两头母猪，生过牛崽的奶牛对小牛十分疼爱，另一头没有血缘关系的就踢小牛。并且从小牛女儿头上提取了几微克的物质，注射到踢小牛的奶牛头上以后，这头牛立即表现出父爱来，所以说父爱是可以用物质来评判的，起码对于牛来讲。我认为，好多我们讲的生物系统的各类复杂性，最终还是落实到物质上。所以说各类生物感应再复杂，都可归结于复杂系统的输入量，只是我们没有了解它而已。不要反对微分等式，实际上我们不晓得笔记本的内部结构，从来没有去看设计集成电路有多么复杂，而且我们仍然在用。当他人把如此复杂的东西给我们用的时侯，我们应当去佩服他，而不是继续把事情弄复杂。把一个复杂的东西简单化，追求的是效率，把一个简单的东西弄得复杂化了，是一种文化。地学里面，铜矿的带型用这个带那种带的定性描述，讲上去变得没文化，直至把欧阳颀老师的斑图理论引入以后，它的文化起码比原先结实了。
19.另外，我认为时间问题在生命系统中很关键。比方说，化学系统时间是可逆的，但在生命系统中是不可逆的。时间对干细胞最有意义，干细胞一旦变为肝细胞后，就回不到干细胞了。倘若我们能把已有的细胞进行驯养，让它发生逆过程，这么癌症之类的病都可以治了。所以生命细胞逆转问题，就是如何把时间倒过来，或则平衡逆过来的问题。
20.不一定是逆转。广州有一个女医生，提出了肝体外循环的概念。对生命来说，有时侯，个别环节会出错。疾病是可以医治的，然而医治疾病的过程中，肝还须要工作的话，就相当于你得病了，单位还让你去下班，事情就比较麻烦了。这个女医生做了一个挺好的工作，她在体外构建了一套系统，取代肠道进行体外循环，再去医治肝，等医治好了肝以后，再把取代转氨酶能的东西去除。这是一个十分聪明的做法。这可能有助于理解生命系统，某一个环节出问题的时侯，它会让整个演进的进程变味了。这个时侯，哪怕是暂时有一东西代替都可以有助于保持原先的演代进程。
21.化学学家可以为生物学家做点哪些？比较典型的就是同步幅射技术的应用，同步幅射光源对于生物学家解蛋白质结构十分重要。听完报告之后，认为仅仅解出这种生物大分子的结构对生物学家的帮助有限，还须要更多研究结构与功能关系的研究手段。
22.能量可测，如何测我们晓得；信息可测，如何测我们晓得；这个生命如何测？就是说，我要怎么认为我如今是在活着？在薛定谔的文章发表的时侯，还没有见到这么多复杂的东西，如今这么多复杂的东西，有没有哪些新的认识？Life这个东西和能量和信息不一样，我们如何测？
23.现今信息是有能量的，擦除一个字节信息的能量大约在10-21J，特别小。有跟没有，也就是说人活过还是没有活过，这个信息在宇宙中是有记录的。
24.听完报告，认为做生物的人目标太庞大，一次就想解决十个问题。并且电子工程师的看法很简单，她们就是想把电流调成0伏，或则5伏。做数学的人把问题分层了，研究基本粒子化学的人就研究原子核内部的问题，我做汇聚态了，我就不想夸克、质子，只考虑原子就行了。
25.将微电子工程和生物体进行类比显然是不恰当的，由于微电子工程制做的大规模集成电路虽然很复杂，并且其中每一个器件的作用及其集成过程都是清楚的、确定的，也就是构效关系是确定的，所以是可以分层的。对生物体来说，现有认识水平下，不同层之间的构效关系是不明晰的，层与层之间的作用也是不清楚的，因此是不能分层的。
26.实际上生物学家和医学家也想把问题简单化，例如说他想做一个基因突变和肿瘤之间的关系，他想分层，并且分不下去，每种基因突变的诱因不同，根本找不到规律，必须从一个系统层次上往下看才行。不是我想把问题复杂化，而是不从复杂的层面看，你看不到东西。
27.生命科学里面有特别根本的问题没有解决，也不晓得如何解决，但已有一些比较简单直接的层次，例如直接杀害癌细胞，你们也会做。我们科研的选题有短的也有长的，短的你们还会做，但长的思索常常比较少，所以年青人可以有更长远的思索。
(Salon是“中关村科学沙龙”系列活动之一，由《物理》编辑部承办，得到了中国科大学科学传播局的大力支持。本期沙龙由杨国桢教授主持，出席成员有：曹则贤研究员、陈小龙研究员、傅绥燕院士、高原宁院士、韩秀峰研究员、黄学杰研究员、姬扬研究员、姜晓明研究员、来鲁华院士、李明研究员、欧阳颀教授、郄秀书研究员、王赤研究员、武向平教授、吴忠良研究员、翁羽翔研究员、向涛教授、叶大年教授、杨国桢教授、杨元喜教授、朱日祥教授)
