从宇宙的膨胀到最小的亚原子粒子的运动，现代物理学可以帮助我们解释令人眼花缭乱的自然现象。但它能否解释其中最大的谜团：我们所知的生命是如何开始的？
麻省理工学院(MIT)物理学助理教授杰里米·英格兰博士认为可以。他目前正在研究一个大胆的理论，希望揭示类似生命的行为是如何从一堆惰性的化学物质中产生的。
英格兰说：“自从我在大学里研究蛋白质折叠的时候，我就一直对大而杂乱的粒子组合的物理学如何变得像生命一样感兴趣。”“这就是我能够成功地拒绝在理论物理和生物学之间做出选择的方式，这两者都让我着迷。”
英格兰的研究是建立在热力学的基础上的，热力学是一门描述热量如何从一个地方移动到另一个地方的科学，对许多自然过程至关重要。他把自己的理论称为“耗散适应”，因为它的目的是描述结构是如何通过能量(主要是热量)的耗散而产生和变化的。
这个过程增加了周围环境的熵(无序的数量)，奥地利量子物理学家Erwin Schrodinger认为这是生物体运行所必需的。至关重要的是，熵的增加使进化中的结构保持在所谓的“非平衡状态”成为可能。
通常一个系统(可以是任何东西，从一盒气体到一个复杂的结构)都会与其环境达到平衡。这意味着在系统和它周围的环境之间没有热的净流动。例如，如果你把一杯热茶放在桌子上，它最终会达到与房间相同的温度，这让那些想喝杯茶的茶爱好者非常懊恼。
物理学能解释生命是如何在地球早期出现的吗？
但生物正处于非平衡状态，它们从阳光和食物等来源获取能量，并将这些能量“驱散”到周围环境中。这使得生物体能够减少自身的熵，从而能够生长和构建结构。
正是这种非平衡状态的物理学，英格兰和他的团队通过计算机模拟来寻找类似生命的行为自发出现的情况来研究。
除了生物学
这并不是物理学家第一次尝试深入研究生物学问题。1944年，薛定谔根据他在他的第二故乡都柏林所做的一系列演讲出版了一本书。书，什么是生命？，强调了能量流动和熵的核心意义。在书中，他还提出，生物遗传将取决于他所称的“非周期晶体”——一种可以在其结构中携带信息的分子——随着DNA结构的发现，这一预测得以实现。
“我目前的研究的起点——真的改变了生物，在这一点上，是意识到思考物理，你需要有趣的生活和它分解成单独的定义良好的物理现象，你可以谈论的热力学。例如，生物会复制自己，但并不是所有的自我复制因子都是活的。
英格兰的目标行为包括繁殖、获取能量、自然选择和预测未来的能力。
雪花是复杂的，由于液态水结晶成冰而形成，但它们并不是活的
他说，有时这些效应可以在一些与生命毫无相似之处的简单、熟悉的现象中看到，比如雪花和沙丘。但在这两种情况下，这些结构都能通过向周围释放能量而形成。
他说：“就雪花而言，它是由液态水(放出热量)结晶成固态冰所释放的热量。”“以沙丘为例，流动的空气是沙粒移动，但随后它们又停止了运动，因为它们互相撞击，并将能量作为热量传递给周围的空气。”
熵与进化
生物体的进化历史储存在它的DNA中，塑造了它当前的形态。英格兰认为，有机体散热的历史和熵的增加也有助于形成它的结构。没有DNA作为变化的记录，英格兰相信结构的物理形式可以保存信息。
“想想歌剧演员对着一只玻璃杯唱歌，它会产生共鸣，剧烈地改变形状，然后打碎。一旦它破碎，它从歌曲中吸收能量的能力就差得多，因为它是一堆碎片。它的形状变化要小得多，变得稳定得多，”他说。
“但是这些碎片并不是玻璃的随机排列，它们包含了很多关于玻璃破碎时的形状的信息。因此，尽管他们不善于吸收能量，但他们在历史上有一个与之相反的时刻，这可以通过正确的侦探工作来重建。”
杰里米·英格兰的计算机模拟显示了黏稠液体中的粒子。绿松石颗粒受到振动力的驱动，随着时间的推移，会形成化学键
有时，在团队的模拟中，会出现令人惊讶的自组织水平。例如，当它们从不同模拟化学物质相互作用的虚拟汤开始时，一些化学物质开始取代其他化学物质。当它们被证明更善于收集可用的能量时，就开始占据主导地位。
英格兰说：“我们认为生命特别擅长的事情有很多，比如能量收集、预测计算(预测未来)和自我修复，即使在没有达尔文进化论的情况下，我们也可能通过自我复制和自然选择实现自我组织。”
尽管该理论仍处于早期阶段，但也不乏批评者。英国自己也承认，简单地观察类似生命的行为和生命本身之间存在着巨大的差距。
他说：“我们所看到的所有生命都是过去几代已经存在的生物相互竞争的产物，它们在很长一段时间内都在共同进化。”此外，任何有生命的东西都是许多独特的类似生命的行为的组合，而这些行为在一开始并不一定都是紧密联系在一起的。例如，某样东西可能是一种非常好的能量收集器，但不一定能够自我复制，而且我并不声称知道我们所谓的“生命”最初是如何捆绑在一起的。”
然而，他确实相信，他的团队的工作正在丰富他所称的生命形成的“工具箱”。目前，他们的工作完全是基于计算机模拟，尽管其他研究人员也开始接受这一想法，并在物理实验中研究类似的热力学效应。
我们也许还不知道生命是如何开始的，但耗散适应让我们更清楚地认识到鼓励生物出现的基本原则之一。
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