阿道夫·菲克：测量生命的物理学家

1870年，一位生理学教授站在维尔茨堡物理医学学会前，坦承了他的困惑——不是因为他的想法有多难，而是因为其显而易见。阿道夫·菲克（Adolf Fick）对在场的人说，还没有人“想到以下显而易见的方法”来直接确定心室在每次收缩时射出多少血液。随后的方法不需要任何新仪器，也不需要任何新手术，只需要一种简洁到看起来像作弊的算术。一个半世纪后，心脏病学家仍然将这种算术视为判断每一种竞争性心输出量测量方法的黄金标准。

身穿医生外衣的数学家

菲克于1829年9月3日出生在卡塞尔，出生于一个在德国科学史上留下不止一页名字的家庭。他的兄弟是弗朗茨·路德维希·菲克（Franz Ludwig Fick）；他的侄子阿道夫·加斯顿·尤金·菲克（Adolf Gaston Eugen Fick）后来在1887年适配了最早的玻璃隐形眼镜之一，作为治疗不规则散光的手段——这是一种早期且极其不舒服的设备，无法长时间佩戴。

他通过迂回的道路进入了医学领域。他的正规训练始于数学和物理学，之后才转向医学院，于1851年在马尔堡大学获得博士学位，并担任了一段时间的解剖学技术员（prosector），负责准备尸体以供演示。这种操作顺序解释了随后职业生涯中的几乎一切。菲克来到生理学领域时，并不是在寻找物理类比；他带着这些类比而来，并用一生去发现身体会在多大程度上服从它们。

关于扩散 (Ueber Diffusion)

他25岁时发表了那篇使他的名字永垂不朽的论文。《关于扩散》（Ueber Diffusion）于1855年发表在《物理学年鉴》（Annalen der Physik）第94卷第59至86页，随后在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上发表了英译本。这个问题并不新鲜。托马斯·格雷厄姆（Thomas Graham）已经通过实验证明，溶解物质以可测量的速率在液体中扩散。格雷厄姆没有提供的是定律。

菲克通过类比提供了一个定律。热量根据傅里叶定律沿温度梯度流动；电荷根据欧姆定律沿电位梯度流动；他推断，没有理由认为溶解的盐在沿浓度梯度流动时会有不同的表现。于是他写下了这个关系——通量与梯度的陡峭程度成正比——然后走到实验台前，看看自然界是否同意。他使用仿照格雷厄姆设计的仪器，测量了由充满水的管子连接的两个储液罐之间的盐浓度和扩散通量。自然界同意了。当时扩散在固体中的研究被认为不可行，因此这些定律是在流体中建立的，后来才扩展到其他领域。

这一举动是他那个时代的典型特征。达西（Darcy）正在为通过多孔介质的水力流动制定类似的定律；热的傅里叶定律和电荷的欧姆定律已经成为经典。菲克的贡献在于识别出这种家族相似性并认领了其缺失的成员。最初作为生理学家理解跨膜气体交换的工具，现在已成为半导体制造、药物释放制剂、食品科学和大部分工业化学的基础。

第一本生物物理学书

一年后的1856年，他出版了《医学物理学》（Die medizinische Physik），这通常被认为是史上第一本生物物理学教科书。该标题所宣称的内容并不谦虚。它断言，活体不是一个需要自己特殊解释原则的领域，而是一个物理系统，可供测量、微分方程和物理讲堂的普通设备使用。他还对肌肉生理学进行了大量研究，这是机械测量最严苛的学科分支。

心脏的簿记

1870年的方法仅基于质量守恒。血液携带氧气到达组织，离开时携带较少的氧气；这种差异乘以通过的血液量，必须等于身体消耗的氧气。重新排列一下，心输出量就变成了氧气消耗量除以动静脉氧差。测量病人燃烧了多少氧气，对动脉血和静脉血的氧含量进行采样，相除——你就得到了一个你从未触碰过的心脏的输出量。

这之所以激进，是因为它完全绕过了器官本身。早期试图衡量心脏工作量的尝试都需要接触心脏。菲克原理将循环系统视为一个密封的盒子，并从外部进行询问，利用会计学达到直接观察无法达到的数量。

它不是一个完美的仪器，也从未声称是。在动静脉差异狭窄的地方，小的采样误差会被严重放大。心内分流会破坏氧气值。在肺炎中，肺部本身消耗的氧气可能会使计算出的输出量增加13%到15%。稳态假设在血流动力学不稳定的病人身上会失效。即使直接且仔细地执行，直接菲克法的结果也仅在真值的8%左右。它仍然是参考标准，因为其他一切都是根据它来校准的。

在维尔茨堡的三十一年

从1868年到1899年，菲克在维尔茨堡的朱利叶斯-马克西米利安大学担任生理学教授——在同一个系工作了三十年，足以以他自己的定量形象塑造一代德国生理学家。大学在卡普齐纳街（Kapuzinerstraße）竖立的一块牌匾至今仍标志着他居住过的房子。他于1901年8月21日在弗兰德海岸的布兰肯贝赫去世，享年七十一岁。

为什么阿道夫被称为天才

菲克最优秀作品中展现的品质不是原始的计算能力或百科全书式的知识掌握。而是一种特殊的结构性视野：能够审视一个领域中未解决的问题，并认识到它在形式上与另一个领域中已解决的问题相同。他在最高水平上两次做到了这一点。扩散变成了代入不同变量的傅里叶热方程。心输出量变成了质量守恒账本。这两种见解都不需要别人没有的仪器；两者都需要看到别人一直直视却视而不见的形状——这正是为什么他能带着明显的惊讶告诉维尔茨堡学会，他的心脏测量法是“显而易见”的。

反面案例是真实存在的，应该说明。菲克并没有发现扩散；格雷厄姆的实验在前，菲克自己的仪器也是仿照格雷厄姆的。他并不是从第一原理推导出他的定律，而是从热物理学中全盘引入，然后通过实验验证。他从未亲自执行过他提出的心脏测量：1870年不存在安全采样混合静脉血的手段，该方法等待了几十年，直到心导管插入术使其可用。严苛的解读将他视为一位杰出的类比者和形式化者，而不是原创者。但形式化并非较小的行为。没有菲克定律的格雷厄姆结果只是一张数字表；有了它，它们就变成了可输出到任何介质和任何学科的物理原理。这种可转移性就是成就的全部衡量标准。

遗产

菲克的名字在两个几乎不相往来的地方流传。在材料实验室中，菲克定律支配着掺杂原子如何在硅中移动。在导管室中，菲克原理告诉心脏病学家衰竭的心脏工作得有多辛苦。两个群体都没有像本应有的那样充分记住这位创造了这两者的生理学家——他的侄子的隐形眼镜比这两者都更广为人知。但支撑他的信念——即生命物质服从普通物理学并将屈服于普通数学——现在已完全成为生物医学科学的基础，以至于变得不可见。这是科学家能赢得的最彻底的胜利。