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本文是物理学研究者还原薛定谔与记者对谈的物理思辨撰文，从薛定谔的量子力学角度讨论生命科学：量子：生命的“原子核”的对话，从9个方面探寻了量子物理与生命科学之间的联系。 来源环球物理，回归de旅程整理编辑，转载请注明出处。 记者：人们普遍认为，科学是一件极端严肃的事情，因此科学家只应该就自己的专业领域发表意见，而对于那些并不精通的领域要心持谨慎，绝对不能胡乱发言。你倒好，生命科学并非你的专业，而你不仅给400多位听众举行公开演讲，甚至还撰写什么《生命是什么？》，阐述你关于生命科学的理论。常言道，尊贵者负重任，你就不怕误人于歧途吗？ 薛定谔：物理学与生命科学表面上属于两个完全不同的领域，但是从宏观视野来看，无论是物理学，还是生命科学、化学、地理学等等，都不过是自然科学的一个门类或其中几个门类而已。自然科学要发展，就必要要有人去总结各门类自然科学发展的最新成果，进行归纳研究，从中总结出共性的规律，并用这些规律去指引具体学科的研究工作。 记者：你说的绝对有道理。孤军深入、各自为战，只会让科学走进死胡同。 薛定谔：科学家是干什么的？科学家就是要去总结普遍性。当代最高学府叫“大学”，英语是“university”，含义就是“普遍性”，一种理论只有升华到放之四海而皆准的水平，才是唯一可以打满分的。遗憾的是，随着当代知识各个学科分支在广度和深度上的拓展，诸学科之间的隔阂越来越大。绝大多数科学家不愿意跨出这一步，不愿意去超越学科进行普遍性研究。这是很危险的。你应该知道在经济学中有一个叫做“格雷欣法则”的理论吧？ 记者：经济学我不陌生，“格雷欣法则”，就是劣币驱逐良币法则，就是含金量小的货币越来越把含金量大的货币挤到到一边去。 薛定谔：而在科学领域，也存在这样一个规律，就是基础性研究越来越让位于分支学科。这种做法是很危险的，我在上面说过。 薛定谔：你看看，由于缺乏基础性的、普遍性的研究，各门分支科学之间就缺乏必要的沟通，久而久之就导致各个分支学科也难以发展。生命科学长期止步不前，就在于自我封闭。物理学长期也止步不前，同样在于自我封闭。这些科学家从来不去想想，如果从生命科学的角度去研究物理学，如果从物理学的角度去研究生命科学，或许别开洞天。可是没有人愿意这样做，没有人敢于这样做。 记者：确实是没有人敢于去冒这个险。弄不好会没人骂作傻蛋一个。吃力不讨好！ 薛定谔：在这种情况下，就需要像我这样的人，敢于利用自己并不精通的第二手资料，敢于超越自己的学术领域，去进行总结，去进行研究，去进行归纳，去进行演绎。要推动科学可持续发展，我看不出还有什么别的办法。 记者：绝对真理，为你点赞！你这种敢于挑战自己的精神值得我学习，其实我也是这么做的。我对哲学问题很感兴趣，但是我觉得，如果不了解自然科学，尤其是对最前沿的科学成果不了解，哲学研究就会走进死胡同。德国哲学家维特根斯坦感叹哲学衰落成为一种语言解释工具，霍金也嘲笑哲学的可怜命运。原因就在这里。你凭借你雄厚的物理学功底，去对生命现象进行研究，我相信肯定会有崭新发现。可否分享？ 薛定谔：当然可以 记者：生命是一种极其复杂的现象，关于生命的定义，也是五花八门，千奇百怪，从最基本的层面上讲，你认为生命的本质是什么？ 薛定谔：非生命现象的运行路径是从有序，经历平衡状态而走向无序。生命现象的运行路径是由无序经历平衡状态而走向有序。物理学家喜欢用“熵”这个词来代表着某种混乱和无序，因此在我看来生命就是一种“负熵”，即与“熵”反其道而行之的一种现象。 记者：有点高深。 薛定谔：我再给你细细说一下，一块物质什么时候可以被认为是活的呢？答案显然是：当这块物质继续在“做某些事情”、运动、和环境交换物质能量等等的时候，而且期望它比一块无生命的物质在类似情况下“保持下去”的时间要长得多。 记者：“死”物质会如何呢？ 薛定谔：与“活”物质完全相反。当一个非活的物质或系统被孤立起来，或把它放在一个均匀的环境里，由于各种摩擦阻力的结果，所有的运动都将很快停顿下来；电势或化学势的差别消失了，温度也由于热传导而趋向于变得均一。衰退就是走向死亡，于是整个物质系统便退化成为死寂的了无生气的一团物质。这种极限状态，我们这些物理学家称之为“最大熵”。 记者：还是有点专业。 薛定谔：还是其实也很简单。以人为例，作为生命的人，无论是肉体，还是精神，都是有秩序的，有规律的，而很少存在混乱和无序。作为死亡的人就不一样，无论是肉体，还是就其精神，是以混乱而无序而为标志的。 记者：程序正常的机器就是计算机，而程序混乱的机器就是一堆破铜烂铁。 薛定谔：你的理解力还可以吗。 记者：我曾经就事物变化的原因与亚里士多德交流过，他说在万物之中存在着某种潜能和活力，这种潜能和活力就是那种促进物质保持生命活力的根源。 薛定谔：现在还有很多人是这么认为的。生命物质是依靠什么来避免走向衰退的呢？显然是新陈代谢，具体说就是依靠不断的吃、喝、呼吸以及同化。正是通过这种不断的新陈代谢运动，阻止混乱指数，也就是熵值的不断攀升，而保持生命的可持续存在和进化。 记者：你总是提到“熵”这个概念，这个概念或者说思想是不是有点太模糊了？ 薛定谔：一点都不。熵的概念是一个完全可以精确测量的物理量，就如同一根棍棒的长度、物体某时点的温度、晶体的融化热和物质的比热等概念一样。在物体的温度处于绝对零度，即大约-273°的时候，任何物体的熵都等于零。熵的增加量可以这样计算：在过程中每一个小步中系统或物质吸收的热量除以吸收热量时的绝对温度，然后把一小步的结果加起来就是了。计算熵的单位是卡/摄氏度。 记者：越说越专业了，到此为止吧，再说我头就晕了。 薛定谔：我倒觉得刚开始呢，好听你的，浅尝即止吧。 记者：我多次看过你的那本《生命是什么？》，我也知道你是把量子力学理论与生命科学理论结合在一起进行研究，观点很独特，大数学家罗杰·彭罗斯告诉我说，发现DNA双螺旋结构的英国科学家克里克，就是在你这本著作的影响下作出划时代重大贡献的。这个一点也没错，克里克多次在自己的著作中说过。好像另一位诺贝尔奖获得者沃森也是如此。不过他是在什么地方说的，我有点朦胧了。 薛定谔：无意插柳…… 记者：提起生命科学，一般人都有些了解，但提起量子力学，好多人就感到陌生，因此，为便于你我的交流，也便于我以著作或文章的形式传播你的学术观点。 薛定谔：提起亚里士多德，你立即想到什么？ 记者：地心说。 薛定谔：提起哥白尼，你想到什么？ 记者：日心说。 薛定谔：提起牛顿你想到什么？ 记者：万有引力？ 薛定谔：什么叫万有引力？ 记者：太阳吸引月亮，月亮吸引太阳；太阳吸引星星，星星吸引太阳；地球吸引月亮，月亮吸引地球……，总之，宇宙中的各个星球之间互相吸引。这就是万有引力，力的大小与彼此的质量成正比，而与距离的平方成反比。 薛定谔：你看看，亚里士多德的理论、哥白尼的理论，牛顿的理论，有什么共同点？ 记者：共性不多。 薛定谔：最典型的一个共性就是这些理论都是研究“大”物体的，无论是太阳、地球、月亮，还是宇宙中的其他星球，都是一个个庞大的存在。与这些星球比较起来，人类简直是微不足道。你人类无论如何去观察它，你用灯光照射它，你用电流刺激它，甚至你用炸弹去轰炸它，人间我行我素，丝毫不会受到影响。 记者：这倒是，但是如果人类用核武器去对付它们，估计它们就会受到影响的。 薛定谔：确实如此。关于核武器，我们以后再谈。我们不妨做个小结，以亚里士多德、哥白尼、牛顿为代表的物理学，是研究宏观层面物理现象的，是研究“大”物体的，这些物体会越来越大，乃至达到无限。你同意吗？ 记者：同意，那你为什么不说爱因斯坦呢？ 薛定谔：你这个问题问得好。你对爱因斯坦的相对论是不是了解一点？ 记者：或是皮毛。我就知道在爱因斯坦看来，光速时宇宙中运行速度最快的物体，他就是以此为基础建立了自己的宇宙理论和物理学体系。具体赢高包括诸如空间弯曲理论、质量能量互换理论等等。 薛定谔：比可能还遗留了不少，爱因斯坦不仅研究宇宙这个“大东西”，在他的论文中，他还研究“光量子”，也就是光的颗粒这个“小”东西。可以说，爱因斯坦是一个“大”、“小”通吃的大科学家。 记者：你说得好像有点不尽正确，牛顿出版了《光学》，里面对光学的研究似乎也很是深入吗。 薛定谔：但有一点是不同的，牛顿对光的研究仅仅局限于对光的组成部分进行研究，从量子的角度来研究光，好像是从爱因斯坦开始的。不过真正的“量子力学之父”应该是普朗克。 记者:普朗克？ 薛定谔：普朗克是在1900年12月14日这一天提出“能量子”这个概念，他在后来的一篇论文中，又将此正式定名为“量子”，因此人们一般是把这一天看作是量子力学正式诞生的日子。有人把爱因斯坦说成是量子力学创始人，我对此不予认同。爱因斯坦是在1905年发表的论文中提出“光量子”这个概念，因此他对量子力学的研究远远晚于普朗克。他的作用与普朗克不可同日而语。 记者：有一个问题我不太明白，作为量子力学理论的创始人和提倡者，普朗克和爱因斯坦为什么后来又非常起劲地反对量子力学，尤其是爱因斯坦，直到临死，都对量子力学耿耿于怀。 薛定谔：关于普朗克，他本身是一个很保守的科学家，对任何新的理论都是比较抵触的，即便这个新理论是他自己有意或无意提出来的。而关于爱因斯坦，他被人们普遍视为一个极其革命性的科学家，但这个人却是极端的顽固和保守。 记者：这个评价好新鲜。 薛定谔：爱因斯坦的威望太高了，一般人真的不敢对他品头品足。我不迷信任何人，我必须要说出这一点。 记者：举例说吧。 薛定谔：自然可以。例如，从他的相对论人们很容易就能推演出宇宙要么是必然走向膨胀，要么是必然走向微缩这个结论，但他就是坚持宇宙恒态理论，即便是采用造假搞什么莫须有的宇宙常数，也要固守自己的观点。尤其是让我感到不可思议的是，当俄罗斯的年轻科学家弗里德曼指出爱因斯坦的计算错误时，爱因斯坦竟然是恼羞成怒，让人家下不了台街。由于这种劣根性，爱因斯坦对人们提出的诸多量子力学新理论，如测不准理论、量子纠缠理论，他都是采取冷嘲热讽的态度。纳粹政权曾经说爱因斯坦的相对论是疯子的学术，同样爱因斯坦也攻击过量子力学理论是精神病人的学问。 记者：爱因斯坦真的说过这样的话？ 薛定谔：他说没说过这样的话，你去研究吧。总之，一个科学家对科学事业的阻碍作用，往往都与这些科学家的声望成正比。声望越大，影响越是恶劣。量子力学理论虽然是目前最得到精确实验证明的理论，但由于受到爱因斯坦这个重量级科学家的阻挠，直到今天，人们对量子力学还没有根本性的解释。对好多量子力学现象，人们只能是知其然而不知其所以然。对此，爱因斯坦等人负有不可推卸的责任。爱因斯坦的后半生并不仅仅是虚度年华的后半生，简直就是一个阻碍科学发展的后半生。如果没有爱因斯坦，不，如果没有爱因斯坦的后半生，量子力学会大踏步向前迈进很远的。 记者：爱因斯坦若听到你的这个看法，他肯定会跟你玩命的。我还不得不提醒你，1931年瑞典科学院请爱因斯坦推荐诺贝尔奖候选人，他推荐的可是你啊。你却如此评价爱因斯坦，是不是有点不近人情？ 薛定谔：爱因斯坦推荐我，我表示感谢。但对爱因斯坦，我必须有什么看法就如实说出来。人情是科学的天敌，正如人情也是政治的天敌一样。爱因斯坦是一个怪物，最激进的革命性、最顽固的保守性，在他的身上竟然如此奇特地结合在一起。 记者：英国科学家克里克因为发现了基因的双螺旋结构，从而揭开了“生命之谜”，也因而获得了诺贝尔奖。克里克在不同场合多次承认他受到了你的影响。我想知道，克里克与沃森的发现大概是受到你书中的哪个理论的启发？ 薛定谔：克里克和沃森，特别是沃森也到处说他们因发现了DNA的双螺旋结构就揭开了“生命之谜”，这是一种过度的夸张，生命的本质是精神，是意识，而不是几块骨头、几块肉，几泡尿，他们的双螺旋理论能解释精神和意识现象的来源？说不清。对一项科学发现，要实事求是地评价他们的价值，不要过度提升。 记者：你说的原则，没错。我也觉得他们的理论仅仅解决了生命的“物质之谜”，而没有解决生命的“精神之谜”。 薛定谔：这个评价比较客观，即便是在物质上，他们也仅仅是开了个头。生命科学的后期发展你也是比较了解的。应该不用我说太多吧。如果说我的理论对克里克产生什么影响，我估计是与我在书中说“染色体纤丝”就是生命的物质载体有关。 记者：应该是这个原因。长期以来，人们一直把蛋白质看成是遗传的物质基础，就连我最景仰的人之一——恩格斯也说什么“生命是蛋白质存在方式”这类错误的话。你直接点出染色纤丝是遗传的核心物质，肯定对那些细心的生命科学家会产生很大的影响。 薛定谔：你说得很有道理，也很专业。我继续讲，任何物质都有其最基本的构成单位。不过物理学家、化学家和生物学家眼中的构成单位在本质上应该是不同的。物理学意义上的构成单位是“周期性晶体”，这种晶体物质十分有趣而复杂，它们构成了最有吸引力和最复杂的一种物质结构，由于这些复杂的结构，仅仅是无生命的自然界就让我们的物理学家费尽心思了。 记者：生命科学家眼中的构成单位应该是一种什么样子呢？ 薛定谔：如果说自然界的构成单位，姑且成为“周期性晶体”，是重复着同一花纹的糊墙纸，令人感到单调重复，那么生命科学意义的那个构成单位就是一幅堪称杰作的刺绣，精致而有条有理。很显然，两者一个在天上，一个在地下。我把后者称为“非周期性晶体”，生命活细胞中最具有活力的部分就是这个，具体说就是染色体纤丝这种物质，这才是生命的真正的“密码本”。 记者：高见，把你说成是生命科学家也不为过分。 薛定谔：我不过是总结了有机化学家们的研究成果而已，他们是实验家，发现得了，总结不出来。这种现象太普遍了。 记者：荷兰人德弗里斯在1902年发现，即便是完全纯种繁育的后代里，也会出现极少数的个体，比如说几万分之一二，出现了细微的但是跳跃式的巨大变化。这个现象能否用量子力学的理论来予以解释？ 薛定谔：首先我要更正你的一个说法，你说的这种现象叫做“突变”，你当知道，突变并不是说这种变化是相当大的，而是这种变化是一种不连续的变化。 记者：不连续？我在看量子力学书籍的时候，经常看到这个词。 薛定谔：所谓连续就是指在变与没有变之间存在若干中间状态，而突变是指在变与没有变化之间不存在任何中间状态。而并不是说这种变化是很大的，甚至说突变与变化大小几乎无关。 记者：原来如此。 薛定谔：当德弗里斯发现突变现象的时候，量子论问世不到2年，因此，当时是不可能有人会发现这两个现象之间的关联度。不过我可以担任这个角色了。你应该知道，一个原子的性质，不是取决于原子核的性质，而是取决于原子内电子的性质。一个电子在常规的情况下，是沿着既定的轨道，按照特定的方向在运作的。这种常规形态下的物理运动，就是生命科学中遗传现象得以存在的物理学基础。这是常态。 记者：变异呢？ 薛定谔：变异是生物进化的变态，体现在生物形态上就是出现明显的不同于亲代的变化。这种变化与原子世界中电子的跃迁现象是密切相关的。 记者：量子跃迁？ 薛定谔：所谓的量子跃迁就是微观状态发生跳跃式变化的过程。由于微观粒子的状态常常是分立的，所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。例如，原子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。此外，量子跃迁好包括第二层含义，那就是量子的变化在其方向上也不是随意的，它们总是按照几种特定的方向上做运动。也正是量子世界的两种跃迁状态的叠加，决定了生命世界进化过程中必然会周期性地出现变异。 记者：量子跃迁应该是一种主流，应该是一种进化的源泉吧？ 薛定谔：没错，没有遗传，就没有万物的延续，没有跃迁引起的变异，就没有万物的进化。 记者：明白。 记者：你把生命现象与量子世界联系在一起进行研究，确实是一项创举。既然生命就是量子世界的运动方式，人们自然就可以通过干预量子的运动形式，而促进生命形态按照人类的主观愿望也发生相应的改变。 薛定谔：当然可以。在牛顿、爱因斯坦的宏观物理学中，人类的力量与这些宏观物体之间比较起来简直是小巫见大巫，人类对这些物体的观察行为，基本上不影响这些物体的本来形态。山还是那个山，水还是那个水；星星还是那个星星，月亮还是那个月亮。也就是说，物质世界的形态作为一种客观的存在，它不依赖于人类的主观行为而单独地存在。 记者：主观行为？ 薛定谔：实验和观察就是一种主观行为。 记者：明白。难道微观世界就不一样了？ 薛定谔：就是不一样。 记者：我非常愿意听听。 薛定谔：万物都是由分子所构成，分子都是由原子构成，原子是由原子核和电子构成，至于更小的微粒，我们就不说了。我先来告诉你分子有多大。假定给一杯水中的分子一个一个做上标志，你们中国人喜欢血腥的红色，那我们就用红色把这些分子涂成红鸡蛋一样的东西吧。然后你把这杯水倒进海洋，彻底搅拌，使得这些红鸡蛋一样的分子均匀地分布在全世界的七大海洋中。如果你从海洋中任何一处舀出一杯水来，你将发现这杯水中大约有100个红鸡蛋一样的分子。分子之小可想而知了。 记者：原子能有多小呢？ 薛定谔：我先问你一个问题，你不色盲吧？ 记者：我弟弟比较严重，但我没有。 薛定谔：那黄颜色你是能看得见你的。 记者：是的。 薛定谔：黄色光波是我们能在目前显微镜下看到的最小的东西了，即便是和这个最小的东西相当的微粒里面，也包含着几十亿个原子，原子之小可想而知了吧。至于原子核、电子、光子……就不用说了。你想像都想象不出来。 记者：“小”意味着什么？ 薛定谔：“小”意味着我们人类一点点的观察行为都能在微观世界产生翻江倒海的影响。人类观察微观世界的那种感觉，与在飓风和海啸的环境下观察一个小蜜蜂的感觉是一样的。一些量子力学家认为在微观世界，物质的存在形态是一个永远也为人类无法把握的东西，人类要使之看起来像波，它就是波；人类要使之成为粒子一样的东西，它们就会成为粒子。 记者：你的话让我不得不总结出这样的结论，那就是在宏观世界，物质的存在完全可以不依赖于人类的主观行为而存在。而在微观世界，物质的形态则完全依赖于人类的主观行为，人类的主观行为决定了物质的存在形式。 薛定谔：你这是哲学语言，我们就不要上纲上线了。你说的话虽然需要斟酌一下，但其核心思想我是认可的。回到我们的话题上，既然，生命行为是一种量子行为，是一种依托分子、原子、电子等微观粒子而进行的量子化行为，人类自然就可以通过对量子世界施加影响，而促进基因发生某种显著的突变。 记者：理论上似乎无懈可击。按照你的说法，如果我们用某种放射性物质去照射基因，就可以促使基因组织发生变化，进而去改造物质，使之满足人类的需求。一旦我们能做到这一点，决定动植物发展的，不再是达尔文笔下的自然选择，而是我们人类的选择了。自然选择的世界，就会让位于一个人择的世界了。 薛定谔：这已经不是一种可能性，而逐步成为一种现实性了。早在1901年，孟德尔著名论文的三位发现者之一——荷兰植物学家德·弗里斯就针对人工诱发基因突变的前景指出：“对突变原理和知识的了解，有可能在未来的某个时候充分地有计划地进行人工诱发突变，即创造动、植物新的特性，而且很可能人类将通过控制突变的产生培育出栽培植物和动物的优良品种。” 1904年德·弗里斯还具体提出：“伦琴射线和居里射线能穿进活细胞的内部，可用于改变生物细胞的遗传颗粒。”1927年，同是孟德尔著名论文发现者之一的美国遗传学家H·J·穆勒在美国《科学》上发表了《基因的人工转变》，公布了他用实验方法证明人工改变基因的可能性的研究成果，他因此获得了1946年诺贝尔奖。他是继摩尔根之后获得诺贝尔奖的遗传学家。穆勒在论文中如此写道：“高剂量X射线处理果蝇精子，能诱发受处理的生殖细胞发生高比例的基因突变。高剂量处理的突变率要比未受处理的生殖细胞高出15000%。” 1928年，科学家斯塔德勒用X射线诱发玉米和大麦的基因突变，实验证明射线剂量与突变率之间存在着直线关系。而到了1934年，科学家铁摩菲也夫则通过他刊登在 1934年《生物学评论》上的一篇报告提出：（1）突变频率数的增加量严格地同射线的剂量成正比例关系，因而人们确实可以引进突变系数来表达这种比例关系。（2）如果广泛地改变射线的性质，即波长，从软的X射线到相当硬的γ射线，只要给予同一剂量，突变系数保持不变。还有…… 记者：一提到生命科学，你是热血沸腾。我看过一些分子遗传学方面的书籍，感到人类通过诱发基因突变确实具有非常大的价值，例如培育新的动植物，修复损坏的基因组织以达到治病救人的目的。 薛定谔：基因工程大有可为，可惜，你我都是外行，我们只能敲敲边鼓，只能为别人祝福了。  薛定谔 简传埃尔温·薛定谔，量子力学创始人，1933年诺贝尔物理学奖获得者。 薛定谔曾先后写作了《生命是什么》《科学与人文主义》《大自然与希腊人》《科学理论与人》《心与物》《我的世界观》和去世后出版的《自然规律是什么》等哲学论著和文集。他被当代著名物理学家西蒙尼认为“是我们世纪的物理学家中最为引人注目的哲学家”。 -END- 回归自己编撰，转载请注明出处 |
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