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(奥)薛定谔《生命是什么》

时间:2010-11-06 16:34:53  来源:  作者:

  诺贝尔奖获得者埃尔温·薛定谔的《生命是什么》是20世纪的伟大科学经典之一。它是为门外汉写的通俗作品,然而事实证明它已成为分子生物诞生和随后DNA发现的激励者和推动者。本书把《生命是什么?》和《意识和物质》合为一卷出版,后者也是他写的散文,文中研究了那些自古以来就使哲学家困惑迷离的问题,和这两篇经典著作放在一块的是薛定谔的自传。通过对他一生的回顾和引人入胜的描述,提供了他从事科学著作的背景材料。

  作者简介

  埃尔温·薛定谔(1887-1961),奥地利物理学家。20世纪的前30年中物理学经历了一次大革命,解决了微观运动的基本规律问题。薛定谔生活在这个时代,1926年他提出了波动力学,是量子力学的标准形式之一。薛定谔因此而获得诺贝尔奖。后来他的兴趣转向生命科学,1943年写的《生命是什么》,为分子生物学的诞生作了概念上的准备。


 

序言
 
一般都认为,一位科学家总是对某些学科具有深邃渊博的第一手知识,因而他是不会就他不太通晓的论题去著书立说的。这就是所谓的位高则任重。可是,为了目前写这本书,如果我有什么科学家的高位的话,那我恳请放弃它,并且从而免去随之而来的重任。我的理由是:
我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。最高学府这个名称使我们想起了从古到今多少世纪以来,只有普遍性才是唯一地享有盛誉的。可是,最近一百多年来,知识的各种各样的分支在广度和深度上的展开,却使我们陷入了一种奇异的困境。我们清楚地感到,要想把所有已知的知识综合成为一个统一体,我们现在还只是刚刚开始在获得可靠的资料;可是,另一方面,一个人想要充分掌握比一个狭小的专门领域再多一点的知识,也已经是几乎不可能的了。
除非我们中间有些人敢于去着手综合这些实事和理论,即使它们有的是第二手的和不完备的知识,而且还要敢于承担使我们成为蠢人的风险,除此之外,我看不到再有摆脱这种困境的其他办法了(否则,我们的真正目的将永远达不到)。
这就是我的意见。
语言的障碍是不容忽视的。一个人的祖国语言就象一件剪裁得十分合身的外衣,可是当它不能立刻穿用而不得不另找一件来代替时,他是决不会感到很舒服的。我要感谢英克斯特博士(都柏林三一学院),布朗博士(梅鲁恩圣帕特里克学院);最后,但不是不重要的,我还要感谢罗伯茨先生。他们费了很大的劲使新衣服适合我的身材,但由于我有时不肯放弃自己独创的式样,甚至还给他们增添了更多的麻烦。经过我的朋友们的努力,如果还残留一些独创样式的痕迹的话,那责任在我而不在他们。
很多节的标题本来是想作为页边的摘要的,每一章的正文应该连贯地读下去。
关于借用的图版,我要感谢达林顿博士和《努力》的出版者(帝国化学工业有限公司)。图版上原有的说明都仍保留着,虽然许多细节与本文是无关的。
E.薛定谔
都柏林
19449
自由的人绝少思虑到死;他的智慧,不是死的默念,而是生的沉思。
(斯宾诺莎:《伦理学》,第四部分,命题67
 
 
 
 
 
第一章古典物理学家对这个主题的探讨
我思故我在。”——笛卡尔
1. 研究的一般性质和目的
这本小册子是一位理论物理学家对大约四百名听众作的一次公开讲演。虽然一开始就指出这是一个难懂的题目,而且即使很少使用物理学家最吓人的数学演绎法这个武器,讲演也不可能是很通俗的,可是听众基本上没有减少。其所以如此,并不是由于这个主题简单得不必用数学就可以解释了,而是因为问题太复杂了,以致不能完全用数学来表达。使得讲演至少听上去是通俗化的另一个特点是,讲演者力图把介于生物学和物理学之间的基本概念向生物学家和生物学家讲清楚。
实际上涉及的论题是多方面的,但整个任务只是打算说明一个想法——对一个重大的问题的一点小小的评论。为了不迷失我们的方向,预先很扼要地把计划勾画出来也许是有用的。
这个重大的和讨论得很多的问题是:
在一个生命有机体的空间范围内,在空间上和时间上发生的事件,如何用物理学和化学来解释?
这本小册子力求阐明和确立的初步答案概括如下:
当前的物理学和化学在解释这些问题时明显的无能为力,决不是成为怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释的理由。
2. 统计物理学结构上的根本差别
如果说过去的碌碌无为只是意味着激起未来获得成功的希望,那未免太轻描淡写了。它有着更为积极的意义,就是说,迄今为止,物理学和化学的这种无能为力已得到了充足的说明。
今天,由于生物学家,主要是遗传学家在最近三、四十年来的创造性工作,关于有机体的真实的物质结构及其功能的了解已经足以说明,并且是精确地说明现代的物理学和化学为什么还不能解释生命有机体内在空间上和时间上所发生的事件。
一个有机体的最要害部分的原子排列,以及这些排列的相互作用的方式,跟迄今被物理学家和化学家作为实验和理论对象的所有原子排列是根本不同的。除了深信物理学和化学的定律始终是统计学的哪些物理学家外,别的人会把我所说的这种根本差别看成是无足轻重的。这是因为认为生命有机体的要害部分的结构,跟物理学家或化学家在实验室里、在书桌边用体力或脑力所处理的任何一种物质迥然不同的说法,是同统计学的观点有关的。因此,要把物理学家或化学家如此发现的定律和规则直接应用到一种系统的行为上去,而这个系统却又不表现出作为这些定律和规则的基础的结构,这几乎是难以想像的。
不能指望非物理学家能理解我刚才用那么抽象的词句所表达的统计学结构中的差别,更不必说去鉴别这些差别之间的关系了。为了叙述得更加有声有色,我先把后面要详细说明的内容提前讲一下,即一个活细胞的最重要的部分——染色体纤丝——可以恰当地称之为非周期性晶体。迄今为止,在物理学中我们碰到的只是周期性晶体。对于一位不高明的物理学家来说,周期性晶体已是十分有趣而复杂的东西了;它们构成了最有魅力和最复杂的一种物质结构,由于这些结构,无生命的自然界已经使得物理学家穷于应付了。可是,它们同非周期性晶体相比,还是相当简单而单调的。两者之间结构上的差别,就好比一张是一再重复出现同一种花纹的糊墙纸,另一幅是巧夺天工的刺绣,比如说,一条拉斐尔花毡,它显示的并不是单调的重复,而是那位大师绘制的一幅精致的、有条理的、有意义的图案。
我把周期性晶体称为他所研究的最复杂的对象之一时,我说的他是指物理学家本身。其实,有机化学家在研究越来越复杂的分子时,已经十分接近于那种非周期性晶体了,依我看来,那正是生命的物质载体。因此,有机化学家对生命问题已作出了重大贡献,而物理学家却几乎毫无作为,也就不足为奇了。
3. 朴素物理学家对这个主题的探讨
如此简要地说明了我们研究的基本观点——或者不如说是最终的范围——以后,让我来描述一下研究的途径。
首先我打算阐明你可能称之为一个朴素物理学家关于有机体的观点,就是说,一位物理学家可能会想到的那些观点。这位物理学家在学习了物理学,特别是物理学的统计学基础以后,他开始思考有机体的活动和功能的方式时,不免要扪心自问:根据他所学到的知识,根据他的比较简明而低级的科学观点,他能否对这个问题作出一些适当的贡献?
结果他是能够作出贡献的。下一步必须是把他理论上的预见同生物学的事实作比较。于是,结果将说明他的观点大体上是通情达理的,但需要作一些修正。这样,我们将逐渐接近于正确的观点,或者谦虚点,将接近于我认为是正确的观点。
即使我在这一点上是正确的,我也不知道我的探索道路是否是一条真正的终南捷径。不过,这毕竟是我的道路。这位朴素物理学家就是我自己。除了我自己的这一条曲折的道路外,我找不到通往这个目标的捷径。
4. 为什么原子是如此之小?
阐明朴素物理学家的观点的一个好方法是从这个可笑的、近乎是荒唐的问题开始的:为什么原子是如此之小?首先,它们确实是很小的。日常生活中碰到的每一小块物质都含有大量的原子。要使听众了解这个事实,曾经设想过许多例子,但没有比凯尔文勋爵所用的一个例子能给人以更深刻的印象:假设你能给一杯水中的分子都做上标记,再把这杯水倒进海洋,然后彻底地加以搅拌,使得有标记的分子均匀地分布在全世界的所有海洋中;如果你在任何地方从海洋中舀出一杯水来,你将发现在这杯水中大约有一百个你标记过的分子。
原子的实际大小约在黄色光波长的1/50001/2000之间。这个比较是有意义的。因为波长粗略地指出了在显微镜下仍能辨认的最小粒子的大小。就拿这么小的粒子来说,它还含有几十亿个原子。
那么,为什么原子是如此之小呢?
这个问题显然是一种遁辞。因为这个问题的目的并不是真正在于原子的大小。它关心的是有机体的大小,特别是我们的肉体本身的大小。当我们以日常的长度单位,比如码或公尺作为量度时,原子确实是很小的。在原子物理学中,人们通常用所谓埃,即一公尺的一百亿分之一,或以十进位小数计算则是0.0000000001公尺。原子的直径在12埃的范围内。日常单位(对它而言,原子是如此之小)同我们身体的大小是密切相关的。有一个故事说,码是起源于一个英国国王的幽默。他的大臣问他采用什么单位,他就把手臂向旁边一伸说:取我胸部中央到手指尖的距离就行了。不管它是真是假,这个故事对我们来说是有意义的。这个国王很自然地会指出一个可以同他自己的身体相比较的长度,他知道其他任何东西都将是很不方便的。不管物理学家怎样偏爱这个单位,但当他做一件新衣服时,他还是喜欢别人告诉他新衣需用六码半花呢,而不是六百五十亿埃的花呢。
这样就确定了我们提出的问题的真正目的在于两种长度——我们身体的长度和原子的长度——的比例,而原子的长度具有独立存在的无可争辩的优越性,于是,应该这样提问题:同原子相比,我们的身体为什么一定要这么大?
我能够想像到,许多聪明的物理学和化学的学生会对下列引为憾事的,就是说,我们的每一个感觉器官,构成了我们身体上多少是有点重要的部分,因而(从所提到的比例大小来看),它们是由无数原子组成的,这些感觉器官对于单个原子的碰撞来说是过于粗糙了。单个原子我们是看不见,摸不到的。我们关于原子的假说远远不同于我们粗大迟钝的感官所直接发现的东西,而且也不能作直接考察的检验。
一定是那样的吗?还有没有内在的原因可以解释呢?为了确定并解释为什么感官不合乎自然界的这些定律,我们能从这种事态追溯到某种最重要的原理吗?
这是物理学家能够完全搞清楚的一个问题。对所有提问的回答都是肯定的。
5. 有机体的活动需要精确的物理学定律
如果有机体的感官不是这么迟钝,而且能敏锐地感觉到单个原子,或者即使是几个原子都能在我们的感官上产生一种可知觉的印象——天哪,生命将象个什么样子呢?有一点是要着重指出的:可以断言,一个那种样子的有机体是不可能发展出有秩序的思想的,这种有秩序的思想在经历了漫长的早期阶段后,终于在许多其他的观念中间形成了关于原子的观念。   
尽管我们单单谈了上面这一点,下述的一些考虑对于大脑和感觉系统以外的各个器官的功能也是适用的。然而对我们自身来说,最感兴趣的唯一的一件事是:我们在感觉、思维和知觉。对于产生思想和感觉的生理过程来说,大脑和感觉系统以外的所有其他器官的功能只是起辅助作用,假如我们不是从纯客观的生物学观点来看,至少从人类的观点来看是如此的。此外,这将大大有利于我们去拣那种由主观事件紧密伴随着的过程来进行研究,尽管我们对这种紧密的平行现象的真正性质是一无所知的。其实,据我看来,那是超出了自然科学范围之外的,而且也许是完全超出了人类理解之外的。
于是,我们面临着下述问题:象我们的大脑这样的器官以及附属于它的感觉系统,为了使它的物理学上的变化状态密切地对应于高度发展的思想,为什么必须由大量的原子来构成呢?大脑及感官,作为一个整体的功能,或是在它直接同环境相互作用的某些外周部分中的功能,跟一台精巧而灵敏到足以反映并记录来自外界的单个原子的碰撞的机器相比,根据什么理由说它们是不相同的呢?
理由是,我们所说的思想(1)它本身是一个有秩序的东西,(2)只能应用于具有一定程度的秩序的材料,即知觉或经验。这有两种结果。第一,同思想密切对应的躯体组织(如密切对应于我的思想的我的头脑)一定是十分有秩序的组织,那就意味着在它内部发生的事件必须遵循严格的物理学定律,至少是有高度的准确性。第二,外界其他物体对于那个物理学上组织得很好的系统所产生的物理学印象,显然是对应于相应思想的知觉和经验的,构成了我所说的思想的材料——知觉和经验。因此,在我们的系统和别人的系统之间的物理学上的相互作用,一般来说,它们本身是具有某种程度的物理学秩序,就是说,它们也必须遵循严格的物理学定律并达到一定程度的准确性。
6. 物理学定律是以原子统计学为根据的,因而只是近似的
仅由少量原子构成的,对于一个或几个原子的碰撞就已经是敏感的有机体,为什么也还是不能实现上述的一切呢?
因为我们知道,所有的原子每时每刻都在进行着毫无秩序的热运动,就是说,这种运动抵消了它们的有秩序的行动,使得发生在少量原子之间的事件不能按照任何已知的定律表现出来。只有在无数的原子的合作中,统计学定律才开始影响和控制这些集合体的行为,它的精确性随着包括的原子数目的增加而增加。发生的事件就是通过那样的途径获得了真正有秩序的特征。现已知道,在生命有机体中起重要作用的所有物理学和化学的定律都是这种统计学的定律;人们所能想到的任何其他种类的规律性和秩序性,总是被原子的不停的运动所扰乱,或是被搞得不起作用。
7. 它们的精确性是以大量原子的介入为基础的。第一个例子(顺磁性)
我想用几个例子来说明这一点。这是从许多例子中随便举出几个,对于初次了解事物的这种状态的读者来说,不一定正好就是他最满意的例子。这里所说的事物的这种状态在现代物理学和化学中是基本的,就象生物学中的有机体是细胞组成的,或天文学中的牛顿定律,甚至象数学中的整数序列1,2,3,4,5……等基本事实一样。不应该指望一位十足的外行人读了下面几页就能十分理解和领会这个问题,这个问题是同路德维希?玻尔兹曼和威拉德?吉布斯的光辉名字联在一起的,在教科书中称之为统计热力学
如果你在一个长方形的水晶管里充氧,并把它放入磁场,你会发现气体被磁化了。这种磁化是由于氧分子是一些小的磁体,它们象罗盘针似的有着使自己与磁场平行的趋向。可是你千万别认为它们全都转向了平行。因为如果你把磁场加倍,氧气中的磁化作用也会加倍,磁化作用随着你用的场强而增加,这种按比例的增加可以达到极高的场强。
这是纯粹统计学定律的一个特别清楚的例子。磁场要产生的取向不断地遭到随机取向的热运动的对抗。这样斗争的结果,实际上只是使偶极轴同场之间的锐角比钝角稍占优势。虽然单个原子在不断地改变它们的取向,然而平均地来看(由于它们的数量巨大),一种朝着场的方向并与之成比例的取向稍占优势。这一创造性的解释是法国物理学家P.郎之万作出的。它可以用下面的方法来验证。如果观察到的弱磁化确是对抗趋势的结果,就是说,如果确是梳理了所有分子使之平行的磁场、同随机取向的热运动的对抗趋势的结果,那就应该有可能通过减弱热运动来增强磁化作用,即用降低温度来代替加强磁场。实验已经证明了这一点,实验结果是磁化与绝对温度成反比,与理论(居里定律)是定量地相符的。现代的设备甚至能使我们通过降低温度把热运动减低到如此的不明显,以致能够表现出磁场自己的取向趋势,如果不是完全地表现,至少也足以产生完全磁化的一个实质性部分。在这种情况下,我们不再指望场强加倍会使磁化加倍;而是随着场的增强,磁化的增强越来越少,接近于所谓的饱和。这个预期也定量地被实验所证实了。
要注意的是,这种情况完全依赖于产生可观察的磁化时进行合作的分子的巨大数量。否则,磁化就根本不会是恒定的,而将是无时无刻都在十分不规则地变化的,成为热运动同场之间相互抗衡消长的见证。
8. 第二个例子(布朗运动,扩散)
如果你把微滴组成的雾装进一个密封的玻璃容器的底部,你将发现雾的上面的界限在按一定的速度逐渐下沉。这种速度取决于空气的粘度和微滴的大小和比重。可是,如果你在显微下注视一粒微滴,你会发现它并不一直以恒定的速度在下沉,而是在作一种十分不规则的运动,即所谓布朗运动,只有平均地看,这种运动才相当于一种有规则的下沉。
这些微滴并不是原子,可是它们既小又轻,足以感觉到不断碰撞敲击它表面的分子中间单个分子的碰撞。它们就是这样地碰撞着,只是从平均来说才服从重力的影响。
这个例子说明,如果我们的感官也能感觉到只是几个分子的碰撞,那我们将会有多么莫名其妙和杂乱无章的经验呀。细菌和其他一些有机体是这么小,以致是受到这种现象的强烈影响的。它们的运动是由周围环境中的热的倏忽变动所决定的,它们自己没有选择的余地。如果它们自己有一点动力,它们还是有可能成功地从一处移到另一处,但是这还是有点困难的,因为热运动颠簸着它们,使它们象飘浮在汹涌大海中的一叶扁舟。
非常类似于布朗运动的一种现象是扩散现象。在一只装满液体,比如装满水的容器中,溶解少量的有色物质,比如高锰酸钾,并使浓度不完全一样。如果你对这个系统放手不管,那么就开始了很缓慢的扩散过程。高锰酸钾将从高浓度的地方向低浓度的地方散布,直到均匀地分布于水中为止。
来顶一下
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