生命是什么？1943年，薛定谔在都柏林三一学院的一系列讲座中提出了这个问题。作为量子力学的元老级人物，他向科学家们提出了新的挑战，为生物体的一系列行为作出物理学的解释。75年过去后，生物物理革命依然如火如荼地进行。薛定谔之问激励着他的同僚们重新审视各种尺度下的生命基石，从微小的DNA分子结构到群游的鱼类和蚁丘结构。我在哈佛大学的研究团队专注于人类利他行为的研究，即为什么生物体愿意牺牲小我成就大我。
但是相比从心理学或道德哲学角度来研究，我们则是从热动力学的角度来理解这个问题，控制热量与微观粒子相互作用的物理学定律如何用来解释人类的宏观行为。我们可以通过将人比作原子或分子，将人群比作固体、液体或气体来解释利他主义吗？我们将利他行为简化为两个个体间的简单交互模式，打个比方，他们分别是Ayla和Babak。他们必须从两个选择中作出选择：合作或背叛。
如果Ayla选择与Babak合作，她需要支付一小笔费用，就当是1美元，给中央银行，然后中央银行会即刻给Babak 5美元。而选择背叛就相当于是什么都不做。所以，如果双方都选择背叛，那么他们的个人收支不变，如果双方都选择合作，那么他们每人得到4美元，如果一方合作，另一方背叛，则合作方损失1美元，而背叛方收益5美元。游戏规则非常简单，我们可以从中轻易地想象扩大规模后的后果。
当每个人都选择合作时，经济收益会最高。对大众有利的选择看起来也对个人有利。然而，全球合作的愿景远没有那么容易达成，这也是事情的有趣之处。想象有一大群人，都依照此合作-背叛模型互动，但是不能见到彼此或交流。没有任何实质性的接触，个体无法认出对方是何许人，所以每一个人都自己选择与另外一个人合作或背叛，并且持续很多回合。接下来，想象每个人可以随时去和其他人比较自己的收益。
如果一个合作者和一个背叛者作比较，合作者总会失望，因为一个背叛者每次能从合作者身上纯获利5美元，而一个合作者每次只能从合作者身上得到4美元，遭遇背叛者则要损失1美元。这个郁闷沮丧的合作者会转变为背叛者，从而增加在合作者身上的经济负担，随着身上的负担越来越重，合作者会不断转变，直到所有人都成为背叛者。但这也不是真相。
尽管看上去这样的规律似乎会导向自私，但合作与自我牺牲的例子在我们身边仍然层出不穷，甚至在互相看不见的双方之间仍然存在。公民们可以在缺水断电时为了维持水电而做出牺牲，同样，人们偶尔也会牺牲自己的生命去帮助素不相识的陌生人。我们的思想实验有两处致命的错误。其一是我们对待不同人所采取的方式是不同的。我们更有可能与亲人朋友而非陌生人合作。我们微观交互规则的假设很有可能是错的。
其次，我们可能对于个体之间的相处之道的认识过于天真。即使我们遵守着极为简单的规则，但假想每一个人都有相同的机会接触另一个人，特别是在一个相对大的群体中，这也是不现实的。事实上，社交网络的细节精巧复杂，谁与谁联系，多少人牵涉其中等等，这些因素都对个体选择做出积极或消极的行为有着难以置信的影响。
Martin Nowak是我们实验室的负责人，他在与Roger Highfied合著的《超级合作者》一书中写道，你可以将人类群体结构中看作某一物质的三种相态。
想想水分子之间的相互碰撞：有像冰一样的群体结构（分子之间处于相对静止，距离很大，邻近的同类分子数量很少）；像水（周围的同类分子很多，并且分子移动空间很大，可以去探索其他的邻近空间）或像水蒸气（周围几乎没有同类分子，分子可以四处自由移动）那样的结构，他们各自的交互方式是有极大的不同。温度升高，固态可以液化，继而气化。同样地，我们可以假设存在一种描述人接触程度与熟悉程度的“社会温度”。
在这个思想实验中，我们常常会遇到几乎素不相识的陌生人，很像是热腾腾的水蒸气分子们的碰撞，亦或是硬着头皮在拥挤的人群中赶地铁的样子。在这种情景下，人与人之间很难发生合作。那么在固态状态下是什么样子的呢？固态的群体结构是不变的，就像是一块砖或石头。你总是看到一样的人，清楚他们的名声与行为模式。对于大多数人而言，这种稳定的晶体相态是我们社会关系的基石。
我们与朋友和家人维系着长久坚固的关系，并且常常与他们互动，但不会跟朋友的朋友或者关系不太近的亲戚频繁见面。这些薄弱的联系能够帮助你与背叛者隔离开。如果有一个背叛者出现在地铁站台上，你有可能会被骗。如果你表弟的小伙伴的水管工Donny，正好是一个背叛者，那么你无论如何都不会受到影响。所以，如果我们以气态的样子开始与每个人的关系。
合作会走向末路，因为每个人都会遇到一些混蛋，但是如果我们切断这些社会关系网，我们可能拥一些与背叛者良好绝缘的合作伙伴，仅会从“朋友的朋友的朋友”这条途径遇到背叛者。固态半导体，作为现代世界中每一个小型设备的核心金属部件，为我们理解利他主义“物理学”开启了一个新的视角。半导体中金属微观结构的变化就可以对将其“激活”的电流量有影响，从而使得通过的电流从0跳向某一个特定数值。
相似地，最近我同事在《自然》杂志上发表了一篇文章，也预测了至少需要多少经济奖励（电流）才能启动“利他主义”、并在群体中（半导体）传播的问题。比如说，一些社交网络只需要提供1.05美元的奖赏，这就是极其良好的利他主义“导体”，而另一些则需要100美元甚至更多，而且还很难“激活”。那么属于“液态”的人群情况又是如何呢？
在一篇早期发表的文章中，我们调查了合作在俱乐部、工作场所、咖啡馆和艺术活动等一系列社会资源充足的场景下是如何传播的。在上述情境下，个人可以属于一个或多个团体，并且可以随意变更其所