W当我开始研究动物如何游泳时，我并不觉得自己像个物理学家。我刚刚完成了物理学学士学位，在这段时间里，我被告知物理学家们在研究一些流行词汇:量子力学、宇宙学、规范理论等等。为了看看研究生院是否适合我，我跟随了加州大学圣地亚哥分校一个友好的研究小组，但他们没有研究任何这些流行语。他们使用高性能数学来理解蜗牛、蠕虫和微生物的运动。
我很感激能有这样的机会，我认为他们研究的问题既漂亮又有趣——只是不是基础物理学。随着我越来越融入这个团体，这种差异演变成了一种身份危机。理论物理学家有点像艺术家或运动员:如果你觉得自己离克利或佩顿·曼宁(Klee或Peyton Manning)越来越远，那就像是一场灾难。我想我能感觉到爱因斯坦和费曼低头看着我，在我拐错弯时皱着眉头。
微生物要想让我相信它们就像将原子粉碎在一起一样性感——它们并没有失败。有些能够发射小针，甚至是他们的DNA片段，这比航天飞机发射的速度快1000倍;另一些则与不相关的邻居分享基因信息，形成了比我们古老几千年的互联网;许多比我们更长寿，尽管它们比我们小一百万倍。更有趣的是，微生物不遵守牛顿定律，而牛顿定律是支配基本运动的，也是经典物理学的支柱。
这些显著的事实不仅改变了我对细菌的看法，也改变了我对物理学家的定义。
米微生物对流体环境的体验与我们完全不同。我们对水的体验仅仅是因为我们有一定的体型，以特定的速度游泳。物理学家和工程师用雷诺数来描述水的“感觉”，雷诺数是比较给定液体以给定速度流动时的惯性和粘度(阻力)的相对重要性。这个数字越大，惯量相对于阻力就越重要。当雷诺数很大(至少几百)时，湍流(你在快艇周围看到的白色、波涛起伏、泡沫状的海水)就开始出现了。
由此你可以推断出，人类游泳的特征是一个数字，对于像我这样的弱游泳者来说，这个数字不到几千，而对于奥运选手来说，这个数字要更大一些。细菌的雷诺数约为0.001。这意味着惯性对它们的重要性几乎是我们人类的10亿倍。1
为了重现水中细菌的体验，一个中等大小的人需要浸泡在糖浆中，并以每分钟1厘米的速度游泳。如果它们突然停下来，它们会滑行不到一毫米才停下来;也就是说，必须用显微镜来测量滑行距离。滑行的时间也很短，大约在微秒量级，也就是频闪灯闪烁之间的时间。同样，一个细菌在以最高速度前进时突然停下来，会滑行十分之一埃，大约是一个原子的大小。在低雷诺数的世界里，在一年的时间里懒懒地做仰泳，只会让你在一秒钟内完成仰泳。
当惯性不再重要时，质量、加速度和力等术语就失去了意义。像牛顿第二定律(力等于质量乘以加速度)这样的表述是没有意义的。牛顿第二定律对细菌来说是零等于零。没有加速这种东西，因为细菌在开始游动时几乎立即达到稳定的游动速度，而在停止游动时又立即失去速度。牛顿第一定律认为，运动中的物体在受到作用之前会一直保持运动状态。所有细菌都知道，如果你不游泳，你就是站着不动。没有微生物可以免费移动。牛顿第三定律，即每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力，变成了一种重复，因为不再有任何作用力。
在细菌的世界里，亚里士多德对物理学的描述更恰当，他否认惯性的存在。
我对细菌的能力感到惊讶——他们的发现者范·列文虎克称之为“蹦蹦跳跳的小动物”——它打破了经典物理学的基石之一。看到这一点，我所跟随的小组的负责人引导我阅读了一组诺贝尔奖获得者在20世纪90年代撰写的文章。2，3这些文章证明，支配游泳微生物的物理与支配某些亚原子粒子的量子力学的物理是相同的。他们甚至用规范理论描述了一些简单而具体的东西——某种藻类的速度和轨迹，规范理论是我在大学时被反复灌输的一个术语。细菌受规范理论控制的事实，正是使它们能够在没有外力的情况下移动，并绕过牛顿定律的原因。
这对我来说是另一个重要的教训，不仅在物理和数学上，而且在社会学和身份认同上。我决定物理学家不受限制去研究某些对象而是将特定的工具和思维模式应用于任何感兴趣领域的任何类型的对象。规范理论不仅适用于量子力学，也适用于微生物和其他与我们体型相近的物体。
我不是在用笔和纸思考我的研究，而是用我的胳膊、手、手指和脚去感受它。
在加州大学圣地亚哥分校团队的大力帮助下，我进入了布朗大学的博士项目。我的新同事们从理论物理学中挪用了漂亮的工具来研究宏观问题，比如游泳、窗帘的褶皱、树木和骨骼的形成。学会在不寻常的地方识别理论物理的结构，使我为我的发现做好了准备:像微生物一样，人类也有能力超越牛顿定律。
在布朗大学的第一年，我开始学习太极来缓解研究生院的压力。我痴迷于我正在研究的问题，变得像一个疯狂地拔头发的卡通科学家，同时盯着一个充满涂鸦的巨大黑板。太极宣传了放手的能力，以及某种神秘主义，并吸引了不擅长运动的人。
在最初的训练中，我确实学会了放松和忘记我的工作。但当我被介绍到常见的二人太极拳练习时，我得到了一个完全不同的好处源流，翻译为“推手”。它可以是为了放松而进行的合作，也可以是竞争。竞争推手的目的很简单:选手们面对对方，试图使对方失去平衡，而不使用打击、抓取，也不推动腰部以下或锁骨以上。两名选手的重新安排预计将是平稳而连续的，不像其他格斗项目那样以肌肉对抗肌肉的姿态出现。
推手训练的关键是学习如何在肌肉绷紧时不抓住，而是放松并引导对手“进入空”:操纵对手的方向，使他们进入的推或拉远离练习者的身体中心。在开始阶段，很难确定身体的哪些部分是紧的，哪些是松的，甚至在自己身上——这可能需要多年的学习和练习太极动作来做到这一点。这是训练的一个绝对重要的组成部分，因为任何张力都提供了一个人的重心的直接线:这就像有一个钢棒(紧的肢体或关节)不稳定地连接到一个倾斜结构(躯干)。因为杆不会拉伸或弯曲，任何人都可以通过推或拉杆把结构拉下来。
接下来，一个潜在的推手选手必须学会通过触摸和视觉来识别另一个人的这些紧张感。这通常是由预先安排的，合作的推手演习促进，训练的技能停,这意味着听-通过相互接触的点，通过触觉理解对手的意图和身体的排列。这项技能的价值是如此之大，以至于参与者都不希望中断联系。
推手挑战你移动和变形你的身体来驱散来的力量。没有力就没有惯性。当没有惯性时，与质量有关的术语的定义就含糊不清。诸如“质心”之类的概念变得定义不清。如果你感觉不到与对手中心的机械联系，你就无法确定他们的中心在哪里——它可能在他们的脑袋里，他们的左小指里，或者其他任何地方。
所有这一切让我充满了déjà的似曾相识感。我立刻意识到面具后面有什么熟悉的东西在窥视着我，但我花了一段时间来消化，因为这是我第一次不用笔和纸来思考我的研究，而是用我的胳膊、手、手指和脚来感受它。最后，我意识到:细菌是太极的大师。
l艾克是一位太极专家，细菌实际上也缺乏一个质心。如果你是一个细菌，撞到另一个细菌，无论你认为重心在你的头部还是鞭毛，运动都是一样的。当两个细菌接触时，它们会不停地粘在一起，在不施加任何力的情况下四处移动。有时为了中和这些力量，它们需要长时间地在一起，几乎是无限期地在一起。不知何故，细菌“知道如何移动”，以避免相互施加力量。他们是中和大师。
他们也像推手练习者一样，做着看似不可能的事:中和每一种力，同时仍然实现某种动作。它们时而加速时而减速，还会在极短的时间内改变方向。牛顿不允许在没有力的情况下发生这种情况。
这种力量和运动之间的对话让我明白了细菌游泳和推手之间的一个区别。在“推手”中，我们在获得有利位置后，最终施加了很大的力量。在太极拳之外也可以看到类似的策略，比如穆罕默德·阿里(Muhammad Ali)的“套绳法”(rope-a-dope)，即利用环绳的弹性来驱散入拳的能量，从而在随后的反击中产生巨大的力量。在一个短语,医生那种细菌似的动作，恰恰在它能发挥最大优势的时候，就应该被抛弃。
对于细菌来说，没有加速这种东西。
这让我好奇——微生物能从太极练习者那里学到什么吗?如果他们也突然被允许以及时和战略性的方式使用武力，他们会有什么表现?为了理解这一点，我必须向他们介绍一些新的物理学;起初让我兴奋不已的游泳规范理论，现在成了教我的小动物们相互使用武力的主要障碍。
这种来自武术的意想不到的动机成为了我博士研究的主要动力。我开始研究新的细菌环境，它们的物理性质略有不同。在这些环境中——比如不同形状的简单流体，或者不同形状的简单流体——细菌可以为人类做有用的工作，包括组装和拖拽小批药物，或者为微型发动机提供动力。当我们以一种预先编程的方式打破传统物理学时，这就成为可能，就像推手的实践者在赢得优势时打破中和规则一样。
像这样的想法正在向许多方向渗透，最终将导致制造有用的微观设备。细菌在粘附和粘附后，能够触发力量，使细菌从物体中分离出来，这种能力可以让它们将货物，例如化疗分子载荷直接拖到肿瘤上，而不轰击健康组织。(细菌能够在没有我们帮助的情况下自我分离，但其机制有点模糊，涉及分泌许多不同的化学物质。)或者小的游泳者(天然的或人造的)可以操纵和组装药物颗粒或其他小分子，形成复杂的图案，即使在很远的距离，这是由于它们施加力量时产生的流动。通过这种方式，细菌不仅可以从一些基本成分中组装抗癌药物，还可以将它们带到肿瘤中，释放出来，并重复这个过程，直到治疗完成。
学习太极不仅仅是指导我的研究，它改变了我做研究的方式。西方哲学倾向于将宇宙分为观察者和被观察者，两者之间几乎没有互动。看到细菌和太极相互传递信息让我对一种更平等的物理研究方式有了看法，通过关注连接．
T这里有相当数量的naiveté来寻找细菌和中国武术之间的联系。但是这种naiveté对于理论物理学是如何完成的至关重要，对它的屈服让我有了更深层次的认识。我开始写草稿和草稿某物一些使用身体技巧的物理教学法的疯狂想法。我开始向我的朋友和同事们大谈“物理学”从身体。”2对我来说，太极、细菌和规范理论的数学概念之间的联系似乎比我的兴趣之间的随机联系或指导我研究大问题的小建议更深。
我开始欣赏身体作为向量知识是一种独立于读书的眼睛和听讲座的耳朵的源泉。从这个意义上说，它是最容易得到的向量;每个人都拥有身体，但并不是每个人都能接触到书籍或讲座。我真的相信，那些现在被认为是数学家起源的晦涩思想，至少通过类比，是可以被普遍理解的。如果你能把亚原子粒子的行为方式与你和你的身体的行为方式联系起来，那么也许它会帮助你更好地理解你生活的世界，即使微小的细节被掩盖起来。或者，更好的是，也许它会让你想要更好地了解这个世界。
认识到这种联系也让我觉得我有一个特定的位置或角色，这并不需要用“物理学家”这个词来描述。这个词在社会学和大众观点的基础上有一个摇摆不定的、脆弱的定义，让我开始怀疑自己。科学家们现在感兴趣的东西早已盖过了这些术语，今天的领域需要改变思维方式和术语。这种新的心态应该有一个新的名字:“思想者”太做作了，所以我选择“连接器”。
连接者是注意到事物之间联系的人。物理连接可能是最有价值的技能,和一个被许多英雄民间文学充满了谚语对费曼发现量子电动力学原理通过旋转盘子在康奈尔大学的食堂和爱因斯坦发现方面玩他的布朗运动理论的汤。科学发现总是包裹在一种个人的叙述中——有时它就像盯着黑板看几百个小时那样无聊，但更多的时候是在淋浴时，在打保龄球时，在观看鸟儿飞翔时形成的图案时发生的小突破。
这些小小的联系很少出现在出版物上，也很少在诺贝尔奖获奖演说中被讨论。但从某种意义上说，它们是故事中最重要的部分，不仅因为它们是最人性化和最容易理解的，还因为它们反映了科学发展的本质。如果这是真的，那么我们日常的活动就不会像我们想象的那样，通过将原子粉碎在一起来猜测第一批恒星是如何诞生的。就像阴和阳一样，无论我们是否注意到，它们通常是携手并进的。
麦迪逊·克里格最近获得了布朗大学工程学博士学位，目前是哈佛大学进化动力学项目的博士后研究员。
参考文献
1.Purcell, E.M. Life，低雷诺数。美国物理学杂志453-11(1977)。
2.张志强，张志强，张志强。低雷诺数下自推进系统的几何特性。流体力学学报198, 557 - 585(1989)。
3.张志强，王志强，王志强。低雷诺数下自推进效率的研究。流体力学学报198, 587 - 599(1989)。
