经典物理学家对生命是什么的研究

这本小册子的内容基于理论物理学家的一系列公开讲座。虽然在讲座开始时，我便已经提示听众内容很难理解。虽然几乎不会用到数学演绎法这种物理学家最吓人的“手段”，但也一点都不通俗，不过在讲座过程中，全场大约400名听众也没有大规模退场。之所以讲座不涉及数学推导，原因并不是这个问题非常简单，不需要数学也能解释清楚，而是问题本身过于复杂难懂，不能完全用数学方法进行分析。讲座的目的是向物理学家和生物学家澄清介于生物学和物理学之间的基本概念，从这一点来说，讲座的内容也不是跟通俗二字完全不沾边。

实际上，尽管讲座的内容涵盖了各种各样的论题，但是讲座的目的只想表达一个观点——对一个宏大而重要的问题提出了一些小小的见解。为了不迷失方向，我将首先简明扼要地将本书的大纲概括出来。

本书要探讨的这个已经被讨论过很多次的重要问题是：

在一个生命有机体的范围中发生的众多空间和时间事件如何用物理学和化学理论来解释？

这本小册子竭力解释和确立的初步答案可以总结如下：

现在的物理学和化学解释这些事件明显无能为力，但并不代表这些事件不能通过这两个学科的理论解释。

如果说，过去没有做成功的事只是为了激发起在未来完成以往无法实现的目标的希望，这样就未免有些轻描淡写了。过去的工作其实有更加积极的意义，也就是说，到目前为止，这些碌碌无为都有充分的理由。

如今，多亏了生物学家所做的独创性工作，尤其是过去三四十年中遗传学家的研究，我们对生物的真正物质结构和功能才有了足够的了解，我们能够说明并且明确指出，为什么现在的物理学和化学理论不能解释生命有机体中各个空间和时间中发生的事件。

生命有机体关键组成部分的原子排列方式，以及这种排列方式之间的相互作用，与物理学家和化学家至今在实验和理论中研究的原子排列方式有着根本的不同。而我所说的显著差异对于普通人来说很可能是微不足道的，只有对于具备完整扎实的贯彻统计学理念的物理学和化学定律知识的人来说，这种差异才是显著的。

从统计学的观点来看，生命有机体关键组成部分的结构十分特别，与物理学家、化学家在实验室通过体力工作、在办公桌前通过脑力工作研究的任何物质的结构都不同。物理学家和化学家通过这种方式发现的定律和规律，直接应用到某些系统行为当中，而这些系统的结构并不是基于这些定律和规律，这几乎是难以想象的。除了物理学家，其他人很难理解我刚才用如此抽象的语言表达的“统计学结构”的差别，更不要说真正领会其中的关联了。

为了让论述更加生动，易于理解，我提前简明扼要地介绍一下随后要详细论述的内容：活细胞当中最重要的部分——染色体纤维——可以说是一种非周期性晶体。迄今为止，物理学家们只研究过周期性晶体。在谦卑的物理学家看来，周期性晶体是非常有趣且复杂的研究对象。它们是最迷人、最复杂的物质结构之一，而正是通过这种物质结构，看似无生命无意识的自然界彰显了自己的“智慧”。但是，跟非周期性晶体相比，周期性晶体显得非常普通无聊。二者之间的结构差异，如同按照固定周期不断重复同一花纹的普通壁纸和一幅堪称旷世杰作的刺绣之间的差距，比如拉斐尔的毡幕图稿并没有展示乏味的重复图案，而是大师描摹出的精美绝伦、画面连贯有意义的设计。

如果说一个人研究过的最复杂的对象是周期性晶体，那我觉得这个人只能是物理学家。事实上，有机化学家会研究越来越复杂的分子，这门学科的研究对象非常接近我认为是生命的物质载体的“非周期性晶体”了。所以，有机化学家已经对解答生命问题做出了重大贡献，而物理学家却碌碌无为，这也就一点都不奇怪了。

上面，我简要介绍了调查研究的总体思路，更确切地说是最终范围，接下来我要介绍研究的方法。

首先，我想引入一个概念——所谓的“关于生物的朴素物理学观点”，也就是学过物理课程，尤其是对物理学的统计基础有所了解的人，是如何看待生命体的。

这样的朴素物理学家会思考生命体，思考它们的行为和功能，并且有意识地问自己，以自己所学的知识，根据相对简单、基本的科学认知，是否可以为解答这一问题贡献微薄之力。

事实上，他的确可以。然后，他需要将自己的理论预期与生物学的实际情况进行对比。结果可能是，从整体来看，他的观点似乎非常合理，但仍然需要进行一定的修正。通过这种方式，他们可以逐渐接近正确的观点——更恰当地说，可以逐渐接近自己主观上认为正确的观点。

我本人就是朴素物理学家。即使从结果上看我是正确的，我也不知道这种探索的方式是否是最好、最简单的。不过总而言之，这是我的方法。除了这种曲折的方法，我找不到更好的或更清晰的方法来实现目标。

阐明“关于生物的朴素物理学观点”的一个好方法就是从一个奇怪到甚至有点荒唐的问题入手：原子为什么这么小？首先，它们的确非常小。日常生活中随处可见的物质，即使小小的一块，其中也包含无数原子。

为了让普通人更好地理解这个问题，人们举过很多例子，开尔文勋爵（威廉·汤姆逊·开尔文）举的例子最为令人印象深刻：假设你将一杯水中的所有分子都做上标记，然后把这杯水倒进海里，充分搅拌，让带标记的分子均匀地分布在七大洋当中，当你从任意一片海中舀出一杯水，你会发现这杯水中大约有100个被标记过的分子。

原子的直径大约是黄色光波长的1/5000到1/2000。光的波长基本可以代表显微镜下可以看到的最小颗粒尺寸。对比的结果明显地说明，这种人眼可见的最小颗粒中仍然包含了数十亿个原子。

那么，为什么原子这么小呢？

显然，这个问题的重点不是这个。因为它的重点并不在于原子的尺寸，而在于生物的尺寸，尤其是我们人类身体的尺寸。与常用的长度单位——比如码（1码为0.9144米）、米——相比，原子的确是很小。在原子物理学中，人们专门制定了一个叫“埃米”（简称“埃”）的单位，1埃等于0.0000000001米，也就是1纳米的1/10。原子的直径在1到2埃之间。如今我们常用的长度单位（原子的尺寸与它们相比非常悬殊）与人类身体的尺寸有着密切关系。关于“码”这个常用长度单位的来历有一则有趣的故事：英国一个大臣请示国王该采用什么长度单位，国王幽默地将双臂伸开，说道：“量量我胸膛到手指尖的距离，把这个长度作为单位就不错！”故事的真假姑且不论，但它的意义则不容忽视。国王十分自然地提出和自己身体具有可比性的长度，他明白与其他任何东西相关的长度都不如以这个长度为单位方便。虽然物理学家在工作中喜欢用埃米这个单位，但他要做一套新西装时更希望听到别人说要用6码半花呢布料，而不是用650亿埃米布料。因此可以确定，这个问题真正关注的是两个尺寸的比例，即人体尺寸和原子尺寸的比例，而原子的独立存在先于人体，这一点也毫无疑问。

这个问题真正要问的是，为什么与原子相比，人类的身体这么大？人类的感觉器官算是人体的重要组成部分，因此（考虑到上文提到的原子极小的尺寸）肯定是由无数原子组成的，但这些感觉器官却不够灵敏，不会受到单个原子影响。我可以想象很多热诚的物理学和化学专业学生都可能对这个事实感到遗憾。人们看不到、摸不到也听不到单个原子，人们对原子的假设不同于人类迟钝的感觉器官的直观发现，而且无法通过直接观察进行检验。事情只能如此吗？这其中有什么内在原因吗？我们能否将这种现象追根溯源到某种基本原则上，从而理解和解释为什么感觉器官和自然规律之间存在矛盾？现在，物理学家完全可以解释，以上所有疑问的答案都是肯定的。(www.xing528.com)

假设事实并非如此，如果我们是非常敏感的生物，一个原子或几个原子就可以对我们的感官产生影响。天啊，生命得成什么样子！

在此我就一个方面重点讨论：这样的生物很有可能无法发展出有序思维。而有序思维在经历了漫长的早期阶段后，最终才在诸多设想中形成了原子的概念，以及许多其他概念。即便我们只讨论了人类的思维，相应的分析本质上也适用于除大脑、感觉系统之外其他器官的功能。但是，让我们对人类本身最感兴趣的一点也是唯一一点就是，人类有感觉、会思考、能感知。对产生思维和感觉的生理过程而言，其他所有器官都是辅助功能，虽然从纯粹客观的生物学角度而言这未必正确，但至少从人类角度来说确实如此。而且，它还可以让我们研究与主观事件紧密相关的思维过程的工作变得更加容易，尽管我们对这种密切的平行性的真正本质一无所知。的确，在我看来，它并不在自然科学的研究范围内，很可能也不在人类全部理解力的范围内。

因此我们就面临这样一个问题：为什么人类大脑这样的器官及其附属的感觉器官需要由无数的原子构成，才能使它的物理状态变化可以与高度复杂的思想产生密切的相关性？人类的大脑及其能够直接与环境作用的外围部分，无论是作为整体还是部分功能，有什么理由说它们不是一台足够精巧和灵敏的，能够对外界的单个原子冲击做出反应和记录的机器呢？

原因在于，我们称之为思想的东西：（1）本身是有秩序的东西；（2）能够将具有一定秩序的物质材料囊括在内，比如知觉或体验。这会造成两个结果。第一，为了能够与思想紧密相关，身体的物理组织需要是高度有秩序的组织（正如我的大脑和我的思想密切相关），这意味着发生在这样的组织内部的事件肯定会遵循严格的物理定律，至少是准确性非常高。第二，这个物理学上非常有秩序的体系所受到外界其他物体产生的物理影响，显然是与相应思想的知觉或体验一致的，并形成我称之为思想内容的东西。因此，一般来说，人类大脑和其他体系的相互影响本身就具有一定程度的物理秩序，换句话说，它们会严格遵守物理定律，并保证一定程度上的准确。

为什么只由少数原子组成的、能够受到一个或几个原子影响的敏感有机体做不到这些呢？因为我们知道，所有原子每时每刻都在做无规则的热运动，可以说热运动会抵消它们的有秩序的行为，所以发生在少数几个原子之间的事件不符合任何已知的定律。只有大量原子组合在一起，统计学定律才能影响以及控制原子集合的行为，并且原子数量越多，统计学定律的精确性越高。正是通过这种方式，观测到的事件本身才获得了秩序性。人类已知的所有在有机体生命中发挥重要作用的物理和化学定律，都是这种统计学意义上的定律。任何其他能想到的规律和秩序都会被原子永不停歇的热运动持续干扰，变得不起作用。

我想用几个例子来说明这一点，这是从无数例子当中随意挑选出的几个，这些例子对于首次了解事物状态的读者来说可能并不是最好的。我所说的这种事物的状态在现代物理学和化学中非常基础，就像生物学中生物是由细胞组成，或者像天文学中的牛顿定律，甚至像数学中的整数列1,2,3,4,5……此类事实一样。门外汉不可能指望通过阅读接下来几页的内容，就能对这个学科完全理解和领会。要知道这个学科是跟路德维希·玻尔兹曼、约西亚·威拉德·吉布斯这些显赫的名字联系在一起的，在教科书中，被称为“统计热力学”。

如果你在一根长方形石英管当中充满氧气，把它放到磁场中，你会发现这些气体会被磁化。之所以会发生磁化现象，原因是氧分子其实都是微小的磁体，进入磁场后会按照磁场方向平行排列，就像指南针一样。但是请不要认为它们全都按照磁场方向排列。如果你让磁场强度加倍，氧气的磁化程度也会加倍，磁化作用会随着磁场强度的增强而提高，当场强极高的时候，磁化的比例也能达到很高。

这是纯粹统计学定律的一个特别清楚的例子。由于分子本身持续不断的热运动的方向是随机的，所以磁场对氧气分子产生的排列作用总是会被抵消。这两股力量相互抵抗产生的实际结果就是，偶极子轴会微微倾向于与磁场方向呈锐角而不是钝角。虽然对于单个原子来说，其排列方向是不断变化的，但是所有分子产生的整体结果（由于数量巨大）是，顺着磁场方向排列的分子数量总是能保持微小优势，并且磁场强度越大，优势越明显。

这一具有独创性的解释是法国物理学家保罗·朗之万提出的，这一理论可以通过下面的方法进行验证。如果我们观察到的微弱磁化现象的确是两种相反作用的综合结果，即让所有分子平行于磁场方向的磁场作用和让分子随机排列的热运动，那么通过减少分子热运动而不改变磁场强度，也是可以提高磁化程度的，具体方法就是降低温度。实验证实了这一假设，磁化程度和绝对温度负相关，并且符合理论（居里定律）数量关系。现代仪器甚至能让我们将温度降低到热运动几乎可以忽略不计的程度，这时候磁场自身可以产生“完全磁化”的现象，或至少足以产生可以被视为“完全磁化”的磁化程度。在这种条件下，我们不可能期望将场强提高一倍也会让磁化程度提高一倍，随着磁场强度增加，磁化程度的提高幅度会越来越小，最终达到所谓的“饱和”状态。这同样也以实验的方式得到了量化验证。需要注意的是，这种行为完全依赖于大量分子的共同作用，才会产生我们能够观察到的磁化现象。否则，磁化则不可能是一个持续状态，不同时刻会呈现出无规则的波动，见证着热运动和磁场作用这两股力量之间的对抗。

如果你在一个封闭的玻璃容器的下半部分中填充由小液滴组成的雾，你会发现雾的上边界会缓缓地下沉，其速度非常明确，取决于空气的黏滞系数、液滴的大小和受到的引力。但是如果你用显微镜观察其中一个小液滴，就会发现它并不是以恒定的速率持续下沉的，而是呈现出一种无规则的运动，也就是所谓的布朗运动，只有从总体上来看的时候，小液滴的运动才是稳定地下沉。

这个例子当中我们讨论的小液滴已经不是原子了，但是它们也足够小和轻，不会完全不受不断撞击其表面的单个分子的影响。它们就这样被撞来撞去，只是整体来看是在引力作用下进行下沉运动。

这个例子证明了，如果几个分子也能影响人类的感官，我们将会有多么有趣而混乱的体验。细菌和一些其他生物非常小，这种现象对它们的影响非常大。它们的运动取决于周围介质谜一样的热力学运动，但它们别无选择。如果它们自身有运动能力，它们也许能从一个地方到另一个地方，但也要费一些周折，因为热运动的冲击会让它们像一叶漂浮在汹涌海面上的小舟。

另一种和布朗运动有些相似的现象叫作扩散。假设一个容器中装满了一种液体，比如水，里面溶解了少量有色物质，比如高锰酸钾。但是溶质的浓度并不均匀，而是如图4所示，其中的点表示溶质（高锰酸钾）分子，浓度从左到右逐渐降低。如果你让这个系统静置，其中就会发生非常缓慢的“扩散”过程，高锰酸钾就会从左向右发散，也就是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，直到均匀地分布于水中。

这个过程非常简单，表面看上去也不是特别有趣，但值得注意的是，有的人可能会觉得存在某种趋势或作用力让高锰酸钾分子从浓度高的地方向浓度低的地方移动，就像一个国家中的人口会向地广人稀的地方迁徙，但事实上并非如此。高锰酸钾周围并不存在这样的趋势或作用力。每个分子的行为和其他分子都是相对独立的，与其他分子也很难产生碰撞。无论是在浓度高的地方还是浓度低的地方，每个分子都注定要在水分子的不断撞击下被推来推去，并且因此朝着无法预测的方向缓缓移动，有时候会向浓度更高的地方移动，有时候则会向浓度更低的地方移动，有时候则是兜兜转转。分子进行的这种运动往往会被比作被蒙上双眼在广阔地面上移动的人，这个人有某种“行走”的欲望，但是没有特定的方向，所以会不断改变自己的路线。

所有高锰酸钾分子都在随机行走，但整体上还是由浓度高的区域向浓度低的区域移动，最终整个溶液的浓度都达到均匀状态，乍看起来这有点令人费解，不过这也只是乍看之下的感觉而已。如果你把图4想象成是由无数片非常薄的溶液组成的，其中每片溶液内浓度都是近似一致的，某个时刻包含在一片特定溶液当中的高锰酸钾分子在进行随机运动的时候，向左和向右运动的概率是相同的。但正是因为这样，对于一个相邻两片溶液的平面来说，从右向左运动的分子数量比相反运动方向的更多，因为与右边的溶液相比，左边溶液当中有更多分子进行随机运动。而且只要这种情况一直存在，整体来看溶质就会有规律地从左向右运动，直到两侧达到相同浓度后，向左和向右移动的分子数量才会达到平衡。如果我们把这种思维推导整理成数学语言，就能得到扩散定律的偏微分形式的方程：

我不会在此解释这个方程的意义，给读者增添负担，不过方程的意义用通俗语言来解释非常简单。我在这里专门提到这一严格的“数学上精确”的定律，是为了强调其物理学上的精确性在每一个具体应用当中仍然会面临挑战。这一定律纯粹建立在概率之上，只是近似正确。如果说它是一条非常好的近似规律，那只是因为参与这一现象形成的分子数量无比巨大。分子数量越少，我们就会看到更多意外的偏差，在适合的条件下，我们能够观察到这些偏差。

我要给出的最后一个例子跟第二个例子非常相似，但是这个例子有特殊的意义。物理学家通常会在轻盈的物体上系一根细长的丝使其悬浮在平衡位置上，用这种方式测量使物体偏离平衡位置的微弱作用力，在这个过程中需要施加电场力、磁场力或引力使其偏离垂直轴。（当然，轻盈物体需要根据特定的测量目的进行选择。）物理学家持续不断地努力提高这种十分常用的“扭力天平”装置的精确度，但他们的努力却遇到了古怪的极限，而极限本身是非常有趣的。

为了让天平能够测量越来越小的作用力，人们选择的物体越来越轻盈，选择的丝也越来越细长，当悬浮物体明显会受到周围分子的热运动影响时，开始围绕平衡位置进行不间断的无规则的“舞蹈”，就像第二个例子中小液滴的颤动一样，精度极限便出现了。尽管这种行为并不会给天平测量的精度带来绝对的极限，但是给实际操作带来了“极限”。无法控制的热运动效应会与需要测量的力的影响进行竞争，所以观察到的测量偏差就失去了意义。为了消除布朗运动对仪器的影响，必须进行多次测量观察。我认为这个例子对我们现在的研究特别有启发性。因为我们的感觉器官毕竟也是一种仪器。我们能发现，如果感觉器官变得太灵敏将会变得多么无用。

暂且举这么多例子。我需要再补充一点，物理学或化学中任何一条跟生物有关的，或生物与环境相互作用有关的定律，没有一条不能拿来做例子的。要详细解释可能会更加复杂，但是要点还是一样，因此举例描述可能会变得千篇一律。但是我想再阐述一个非常重要的量化命题，这个命题与所有的物理定律的不准确性有关，这就是法则。我会首先举一个简单的例子进行说明，然后再进行概括。

如果我告诉你，在特定的压力和温度条件下，一种气体的密度是确定的，并且我采用另一种方式来表达相同的意思，即在同等条件下一定体积（与某些试验相关的体积）内含有n个气体分子。那么可以肯定的是，如果你在特定时刻对我说的这个命题进行验证，你会发现这句话并不准确，分子数量的偏差为。所以，如果n的数目为100，你会发现偏差数大约是10个，因而相对误差是10%。但如果n是100万，你很可能发现偏差数目大约是1000，因而相对误差则是0.1%。大致说来，现在这一统计学定律是相当普遍的。物理学和物理化学定律不准确程度的相对误差为，其中n表示在一些推导或特定实验当中，使一条定理在一定时间或空间（或二者皆有）条件下具有有效性的分子数量。从这一点上你也会发现，生物必须要有相对巨大的结构，这样其内部的生命活动和与外部世界的相互影响才可能符合相对准确的定律。否则，参与其中的粒子数量太少，“定律”也就不太准确了。对定律准确性影响最明显的部分就是平方根。尽管100万是个非常大的数字，但对于一条“自然定律”来说，千分之一的相对误差并不是太小。