什么是生命？1943年，物理学家薛定谔在都柏林三一学院的一系列演讲中提出了这个问题。这位著名的量子力学先驱委以了科学家一项新的使命：开始用物理学中的工具和直觉来解释生物的活动。75年后，生物物理学的革命仍在进行中。薛定谔的行动呼吁以及激励了他的同行们对生命的基本构成进行各个尺度的观察，从微小的DNA分子到成群的鱼儿还有蚁丘的构造。
我在哈佛大学的研究小组专注于对利他主义，或者说为什么生物能为了共同利益而牺牲自己这一现象进行研究。但我们不是从心理学或道德哲学的角度出发，而是从热力学的角度来处理这个问题。我们能否通过将人类当作原子和分子，或者将社会和种群当作固体、液体或气体来解释利他主义？
我们将利他主义建模为A与B两人之间的简单互动。二者都必须在“合作”与“叛逃”两种选择中二选一。
如果A与B合作，那A需要向一家中央银行支付一笔小额费用，比如说1美元，然后中央银行会立即向B支付5美元。选择“叛逃”就相当于选择不作为。因此，如果双方都选了“叛逃”，那么他们的个人收支不变；如果双方都选择“合作”，那么他们每人都将获得4美元的收益；如果一方选择“合作”而另一方选择“叛逃”，那么选择“合作”的人将损失1美元，而选择“叛逃”的人则收获5美元。
这些运作规则十分简单，我们可以很容易想象到它在一些大尺度下的效应。例如，当每个人都选择合作时，就能得到最佳的经济繁荣景象。整个社区的繁荣对个人来说也是有好处的。但是，全球合作并不那么容易实现，这也正是事情开始变得有趣的地方。
我们来设想这样一个场景，有一大群人根据这种合作-叛逃的模式在进行互动，但他们相互之间无法见面或进行交谈。
在没有任何实际物理互动的情况下，一方无法识别另一侧的对方是合作者还是叛逃者。每个人都会选择自己要合作还是叛逃，并且以此选择与他人进行许多互动。接下来，每隔一段时间，这些人就能对他们各自的利润进行比较。如果恰好与一个合作者比较的是叛逃者，那么结果总能让合作者失望，因为一个叛逃者可以从每个合作者那里获得5美元，但合作者只能从每个合作者那获得4美元，并且当遇到叛逃者时还会损失1美元。
这样，心怀不满的合作者就会转变成叛逃者，导致合作者的经济负担增加，还能进一步导致合作者背负债务，直到最后所有人都选择叛逃。
但这不可能正确的。尽管有向自私发展的趋势，但在我们的周围仍然可以看到合作与自我牺牲的例子，哪怕在个体之间彼此“不可见”的情况下也是如此。在大型断电和干旱等特殊时期里，民众可以为了保持电力和水的流通而作出牺牲，甚至有时人们愿意冒着生命危险去帮助陌生人。
但事实证明，这一思想实验中存在两个致命缺陷。首先，在不同人周围，我们的行为方式会是不一样的——我们更可能与朋友和家人合作，而不是陌生人。因此我们制定的微观互动规则可能是错误的。其次，我们对哪些个体会进行互动的预测太过于简单。即使我们真的遵循着非常简单的规则，但“每个人都会以相同的可能性与他人接触”这一假设仍是不切实际的，尤其是在数量更大的群体中。
事实上，社交网络的微小细节——谁与谁相交、涉及到多少人，对那些在该社交网络中的盛衰产生难以置信的重要影响。在我们实验室的负责人Martin Nowak与Roger Highfield合著的《超级合作者》（2011）一书中，他们说道我们能将人口结构看做是某种实物的相。
试想一下水分子之间的相互碰撞：冰的群体结构（分子不动，能“看到”的只是附近的几个其他分子）所产生的相互作用将不同于水（分子通常能“看到”临近分子都相同，但也会四处移动去接触其他邻里）或水蒸气（没有固定的邻居，分子会自由地运动）。
将一个固体的温度升高能使其变成液体、再是气体。同样，我们可以设想一种能决定人与人之间的互动速率以及熟悉程度的“社会温度”。
在这个思想实验中，我们经常会遇到的是我们几乎不认识的人，就像是热气中的分子与另一个分子发生碰撞、或者为了搭上地铁而使劲地穿过人群一样。那么在这种情况下，我们很难促成合作。在另一个极端——“固体”中又会发生什么？一个坚固的群体数量是不会发生变化的，就如同砖头或岩石中的分子一样。你能看到的总是相同的人，你了解他们的声誉与品行。对我们大多数人来说，这种坚固的结晶相代表了我们社交生活的中坚部分。
我们会与朋友和家人保持长久的联系，频繁地与他们进行互动，但与朋友的朋友或隔好几代的远亲就不会保持如此频繁亲密的互动了。
而事实是，这些薄弱的关联却能将你与叛逃者隔离开来。比如说，地铁站台上有一名叛逃者，你可能很容易就受到它欺骗——但如果你表亲的对象的邻居恰好是个叛逃者，那么你受他的影响的可能性就很低。
所以如果我们像气体一样，从每个人之间的联系开始建立合作，那么合作就会失败——因为每个人都容易受到少数几个坏蛋的影响。但是，如果我们开始切断这些社交链，我们就可能与有着良好绝缘的合作者建立连接，只会通过朋友的朋友的朋友才能感受到账逃者的影响。
作为现代社会中小型设备里的主要金属零部件，固态半导体从另一个角度揭示了利他主义的物理学。
在半导体中，金属微观结构的变化会影响到需要施加多少电压才能将它“激活”，从而通过的电流量就能从0跳到一个特定数值。同样，在近期发表在《自然》杂志上的一篇论文中，我的同事预测了需要多大的经济奖励（电力）才能让利他主义被“启动”，并能在一个团体（半导体）内传播。
例如，在有些社交网络中只需1.05美元作为奖励，就能充当很好的利他主义“导体”；而还有一些则需100美元或更多作为奖励，并且仍可能难以将利他主义激活。
那么“液体”人群又是什么情况？在一篇更早的论文中，我们研究了合作在俱乐部、工作场所、咖啡店和文艺运动等柔性的社交“材料”中的表现。这些情况下的个人可属于一个或多个团体，并且可以根据自己的喜好更改他们的成员资格。
如果改变是件很容易的事，那么液体几乎可以毫不费力地维持合作。如果一旦出现一个叛逃者，那么所有合作者只需选择离开，然后在其他地方重新启动一个组织即可。但是，当迁移出现障碍时，经验法则就会开始显现：如果迁移的代价高昂，那么就要在离开之前尽可能长时间应对叛逃者；否则的话，就只能尽可能多的携合作者一起摆脱困境。
当然，真正的社会结构是一个复杂的有着更多的人口组合。
我们有着很多偶尔形成又偶尔被打破的密切关系；我们可以比较自由地加入和离开一些组织；在火车上、飞机场，我们像气体一样与充满数以百计的陌生人进行微相互作用。然而，作为物理学家，通过对每一个相进行研究，我们碰触到了利他主义的一个要诀——一些或许能促进合作的特定结构的规则。到目前为止我们观察到的是，强大的局部关联能加强利他主义。
一定的流动性与灵活性能对叛逃进行遏制，但流动性与灵活性不能大到形成像气体一样会遏制合作的体系。要了解生物系统的物理学，科学家仍有很长的路要走，但我想，我们目前已经收获的进展或许能让薛定谔感到欣慰吧。