书籍信息

书名: 《薛定谔生命物理学讲义》

作者：（奥）埃尔温·薛定谔

出版社：北京联合出版公司

书号：978-7-5502-9802-6

作者简介

埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)

奥地利物理学家，1887年出生于维也纳。以研究量子理论闻名，并以著名的波动方程式开创了波动力学，因而获得1933年诺贝尔物理学奖。1961年1月4日，因患肺结核病逝于维也纳，他的墓碑上刻着以他命名的薛定谔方程。

以“薛定谔的猫”完美诠释量子力学中测不准定理的物理学大师薛定谔，于生前即从物理领域欲求探究“生命是什么”这一问题，试图回答生命运作之物理机制。这本举足轻重的《薛定谔生命物理学讲义》原本只是一系列通俗科学演讲的结集，没想到这本为非专家所写的书，却成为发现ＤＮＡ结构并导致分子生物学诞生的关键著作。

推动分子生物学诞生和DNA发现的关键著作

内容简介

生命是什么？意识是什么？人是什么？人类的未来会怎样……

这是一部石破天惊的书，它奏响了揭示生命进化里遗传微观奥秘的先声。现代生物学的许多重要发展，都可追溯到这本书：

1943年，诺贝尔物理学奖获得者埃尔温•薛定谔在都柏林圣三一学院做了一个系列演讲，旨在探讨生命的物质基础，并集结成书。一个叫沃森的年轻人看到这本书，深受启发，决定改变自己的研究方向，1962年，他获得了诺贝尔生理或医学奖。这本书，就是《生命是什么》。1991年，与霍金齐名的英国物理学家彭罗斯读到此书后说：这本书“确实值得一读再读”。

1956年，薛定谔在剑桥三一学院做了另一个系列演讲，讨论意识的物质基础、心智是否有进化的趋势、科学与宗教、感官之谜等问题，后集结成《意识和物质》一书。迄今为止，书中讨论的观点，仍启发着国内外一流的思想家、生物学家……

在这本讲义中，从《生命是什么》开始，深入《意识与物质》，最后，在《自传》中，跟随薛定谔的步伐，你将走进一个崭新而迷人的世界。

精彩试读

第一章

经典物理学家对生命问题的探讨

我思故我在。

　　　　　　　　　　　　　——笛卡尔

1.研究的一般性质和目的

这本小册子起源于一位物理学家的一系列公开演讲，聆听演讲的观众约有400人，演讲人在演讲最开始就指出所讲的主题复杂难懂，尽管几乎没有使用数学演绎法这最吓人的武器，可也远未达到通俗易懂的程度，但是听众人数丝毫没有因此而减少。并不是因为这个论题简单得可以不用数学来说明，相反，正是因为论题太过复杂，即使用数学演绎也很难阐述得清楚明了。演讲受到观众欢迎的另一方面原因是，演讲者试图将那些介于物理学和生物学之间的基本概念同时向物理学家和生物学家讲清楚。

尽管演讲内容涉及了形式各样的主题，目的却只有一个——对一个重大问题发表一些小小看法。为了避免读者迷失方向，先简要地勾勒出整个演讲计划很有必要。

这个久经讨论的重大问题就是：

怎样用物理或化学的方法，解释有机生命体内空间和时间上的各种现象？

本书力求阐述和确定的初步答案可概括为：

现阶段物理学和化学在解释上述事件中暴露出的局限性，不能成为否定物理学和化学最终能够诠释这一切的理由。

2.统计物理学·结构上的根本差别

如果说仅仅是为了重新燃起对过去无能为力的事的希望，这个注解未免过于平庸了。更高层的意义在于，我们试图解释为何迄今为止物理学和化学仍无法诠释上述问题。

基于生物学家，尤其是遗传学家在过去三四十年的创造性工作，人们已揭开了有机体的真实物质结构和功能的神秘面纱。目前对这方面的认知已经足以精确地说明，现代物理学和化学为什么仍不能解释发生在有机生命体内的种种现象。

从根本上说，有机生命体中大部分的原子排列及其相互作用方式，和迄今为止物理学、化学理论，实验研究的原子排列方式存在本质差异。这样的本质差异在一般人看来似乎无足轻重，除了那些认为物理和化学定律都是统计力学性质的物理学家。这是因为正是基于统计力学的观点，认为有机生命体内的绝大部分结构非常特殊，完全不同于物理学家和化学家在实验室里处理的或是他们脑子里所思考的任何一种物质结构。要使得物理学家和化学家发现的规律和定则能直接应用在有机生命体的活性部分如此特殊的结构上，这几乎是天方夜谭。

不能指望非物理学家能够大概了解我刚才所说的抽象词汇“统计力学结构”中蕴含的差异性，更不必说准确理解其真正内涵。为了丰富叙述的色彩，我先提前说一下后面还将详细说明的内容：活体细胞中最重要的组成部分——染色体纤丝，可以恰当地称其为非周期型晶体。迄今为止，物理学中所研究的物质仅限于周期性晶体。在一个不是很高明的物理学家眼中，周期性晶体已经是非常有趣和复杂的东西了，它们构成了最具吸引力而又最复杂的物质结构，由这些复杂结构组成的无机世界已经足以让物理学家伤透脑筋了。然而，它们和非周期性晶体结构相比，却显得异常简单。两者在结构上的差异，好比一张是不断重复同样花纹的壁纸，而另一张是一幅拉斐尔挂毯般精美的刺绣。后者展现的是一位杰出大师的精致、协调和富含创意的设计，而不止是一味的单调重复。

我们说周期性晶体已是物理学家最为复杂的研究对象之一，但是，随着有机化学家研究的分子结构越来越复杂，事实上他们已经非常接近“非周期性晶体”了。在我看来，生命的物质载体就是非周期性晶体。自然地，在生命问题的研究领域，有机化学家已经取得很大成果，而物理学家仍毫无建树也就不奇怪了。

3.朴素物理学家的探索方式

在简要阐述了我们研究的基本观点，或者说最终落脚点以后，我再说明一下如何展开我们的研究。

让我们以“一位朴素物理学家对于有机体的观点”即一位物理学家对有机体可能持有的观点开始。他在学习了物理学，尤其是掌握了统计力学的基础后，开始思考有机生命体的活动和功能的方式。他独自思量：能否用物理学中的简明而朴素的科学观点，对生命问题做出合理解释？

他觉得答案是肯定的，下一步需要将理论预测结果和生物学事实做比较。比较的结果说明他的整体思路是对的，但需要做一些调整。如此一来，他就离正确的观点更近一步了，或谦虚地说，更接近了他认为正确的观点。

即使这是一条正确的途径，但我并不能确定这是否就是一条最好、最简洁的探索途径。但是，这终究就是我自己走过的路。我就是这位“朴素的物理学家”，为了通往这个目标，除了这样一条曲折之路外，我找不到其他更加清晰、便捷的方法。

4.为什么原子这么小

论述“朴素的物理学家的观点”的一个好方法是从一个滑稽、近乎荒唐的问题开始：为什么原子这么小？

事实上，原子的确非常之小。我们日常接触的所有物质里每一小块中都包含了数量超乎想象的原子。可以举出许多例子让听众理解这点，但没有哪个能比开尔文勋爵所引用的例子更让人印象深刻：假设给一杯水里的每个分子做上标记，然后将这杯水倒入大海，并充分搅拌，使得世界七大洋中都均匀分布有杯中标记的分子；接着如果从七大洋中任何一处舀出一杯水，将会发现这杯水中大约有100个被标记的分子。

原子的实际尺寸约为黄光波长的1/5 000到1/2 000。这样的比较意义在于，我们可以用光波波长粗略地表示显微镜能分辨的最小微粒尺度。就拿这么小尺寸的微粒来说，这样的体积中仍然包含了10亿个原子。

那么，原子为什么这么小呢？

这个问题并不能简单地从字面意思思考，问题真正关心的并不是原子的大小，而是有机体的大小，特别是我们人类自己躯体的大小。当我们以常用的长度单位作参照时，比如米或码（1码约为0.914 4米），原子尺度确实很小。在原子物理学领域，通常使用埃作为长度度量，1埃是1米的一百亿分之一，用十进制小数表示为0.000 000 000 1米，而原子的直径为1—2埃。日常使用的长度单位和我们的身体尺寸总是密切联系的，比如说，码这个长度单位就起源于一位英国国王的幽默故事：当大臣请示他采用什么作度量单位时，他顺势抬起自己的一只手臂说道：“取我胸部中间到指尖的距离就可以了。”且不论这个故事是真是假，它给我们的启示在于：这个国王很自然地提出将和自己身体的尺寸相比拟的长度作为长度单位，是因为他明白使用其他尺度的长度都不如这样方便。无论物理学家多么偏爱使用“埃”作长度单位，他还是更愿意听见做一件新衣裳需要6码半花呢布，而不是650亿埃花呢布。

因此，我们提出这个问题的真正目的在于确定我们的身体尺度和原子尺度两种长度的比例。考虑到原子本身作为一种独立性的客观存在，把问题换种提法或许更为合适：和原子的尺度相比，我们的身体为什么这么大呢？

对于许多聪敏的物理系和化学系的学生来说，有这样一个事实会让他们感觉非常可惜：构成我们身体各部分的不同器官，根据前述说的比例，它们都是由无数分子构成，显然对于感受单个分子的碰撞来说它们显得太过粗糙了。对于原子，我们既看不见也摸不着更听不见，导致我们很多对原子的假设和我们庞大而粗糙的感官的直接感受相去甚远，无奈我们也无法通过直接观察来检验这些原子。

有没有什么内在的原因可以解释它呢？能否追溯到某条第一原理，来解释我们的感官为何如此不适应大自然的规律性呢？

终于遇见了物理学家能完全解决的问题了，对于上面的这些问题，答案都是肯定的。

5.有机体的活动需要精确的物理规律

假如人类不是像上面所说的那样迟钝，而是能够敏锐地感受到单个原子，那么一个或是几个原子就可以给我们的感官留下印象，我的天！那生命会是什么样子？可以肯定的是，那样的有机生命体绝对不可能孕育出一个有逻辑的思维，更别提在这种逻辑思维长期积淀下产生的原子的观念。

虽然我们只着重谈论了感官这方面，但以下的论述对于大脑和感觉系统以外的器官功能同样适用。人类最重要的特点就是拥有触觉、思维和知觉。假设我们不从纯客观的生物学角度来看，那么在那些产生思想和感觉的生理过程中，作用的主体只有大脑和感觉系统，其他的感觉器官只起着辅助作用，至少我们人类看来是这样的。值得一提的是，这对我们选取和我们的思维活动紧密联系的过程进行研究十分有利，尽管我们对这种紧密的联系仍一无所知。事实上，我认为这样的研究已经超越了自然科学的范畴，很可能也已经超越了人类的认知能力。

由此，我们自然会问：类似人类大脑和它的附属感觉系统这种物理的变化状态和发达思维密切联系的有机整体，为什么必须要由大量的原子组成？为什么大脑和其附属感觉系统的功能，作用在整体上或是和环境直接发生作用的外围感官，而不是能够感受单个原子碰撞的精巧而灵敏的机制呢？

这其中有两方面原因：首先，我们所谓的思维本质上就是一类有次序的存在；其次，人类的思维只能作用在有序的物质上，即知觉或经验。这样也会产生两种结果：第一，和思维对应着的人体组织或是器官（如和我们的思维紧密相连的大脑）必须是有秩序的，这决定了在其中发生的事件必须遵循严格的物理规律，并达到高度的精确性；第二，外界事物对这个组成有序的物质系统产生的影响，必定对应着我们思维中的某些知觉和经验，这些也是人类思维产生的物质基础。所以，一般情况下，我们身体的系统和外界系统之间的互动，必须遵循某种程度上的物理学秩序，也就是说，它们必须服从严格的物理学定律并达到相当的精确性。

6.物理学定律以原子统计力学为基础，因此只是近似的

那么，仅由少数几个原子构成的能够敏锐感受单个原子活动的有机生命体为什么就不能实现上述功能呢？

因为大家都知道，一切的原子无时不刻都在进行着无任何规律的热运动。可以说正是分子的无序运动，破坏了它们宏观上的秩序性，使得只发生在少数几个原子中的事件表现不出任何规律。只有在原子数目达到一定规模时，统计规律才开始显现并作用在这些集合体（系统）的行为上，系统中的原子数量越多，统计规律越精确。正是通过这样的方式，事件表现出宏观上的秩序。目前已经确认，那些和有机生命体密切相关的物理学和化学定律都是此种统计性规律。而人们所能设想的其他规律性和秩序性，都会因受到原子的永不停歇的热运动干扰而无法作用。