神秘量子生命的起源-神秘的量子生命

来自有序的有序

让薛定谔萌生兴趣的问题是谜一样的遗传过程。你或许还记得，那是20世纪上半叶，科学家们仅仅知道基因可以从一代传递到下一代，却不知道基因的组成或其工作原理。于是，薛定谔开始思考，究竟是什么法则让遗传保持了如此高的精确性？换句话说，相同的基因拷贝如何能在代际间几乎一丝不变地传递？

薛定谔知道，诸如热力学定律之类的经典物理学与化学规律，虽然精确可以重复验证，但实质上都是统计规律，背后是原子或分子的随机运动，也就是说，它们只有在平均意义上是正确的，也只有在包含了极大量的粒子相互作用后，才是可靠的。回到之前那个台球桌的模型，单球的运动是完全不可预测的，但是如果在台面上扔大量的球，随机地撞击它们一小时左右，你就能做出预测，此时大部分球已经进洞。热力学的原理正是如此：大量分子的平均行为是可预测的，而单一分子的行为却不可预测。薛定谔指出，像热力学定律之类的统计规律，不能精确地描述仅由少量粒子构成的系统。

比如，让我们以罗伯特·玻意耳（Robert Boyle）与雅克·查理（Jacques Charles）于约300年前提出的气体定律为例。他们描述了气球中气体的体积在受热时如何膨胀、在遇冷时如何收缩的规律。这个现象后来可以用一个简单的数学公式来概括描述——理想气体状态方程。[19]一个气球遵循这些规规矩矩的定律：当你给它加热时，它就膨胀；当你让它冷却时，它就收缩。虽然气球遵循这些定律，不过，事实上，气球里数以兆计的分子正在像毫无秩序的台球一样各自做着完全随机的运动，互相碰撞、抖动，在气球的内壁上反弹等。那么，完全无序的运动是如何产生出秩序井然的定律的呢？

当气球被加热时，气体分子运动加剧，使它们在互相碰撞或与气球内壁碰撞时的力量有了轻微的增加。额外的力对气球的弹性表面产生更多压力，使其扩张（就像台球对玻尔兹曼台球桌上那个可移动的短杆所做的事情一样）。扩张的量取决于提供的热量有多少，完全可以预测，可以通过计算气体方程准确地描述出来。此处的要点在于，像气球一样的单一物体严格遵守气体定律，因为气球表面单一、连续而有弹性，其有序运动来自极大量粒子的无序运动，用薛定谔的话说，产生了“来自无序的有序”（order from disorder）。

薛定谔继续论证道，不仅只有气体定律从大数统计中获得了准确性，所有的经典物理学及化学定律——包括描述流体动力学或化学反应的定律——无一不是基于“大数的平均”或“来自无序的有序”这一原理。

不过，虽然一个填充有数以兆计气体分子的、正常大小的气球永远遵守气体定律，但一个微观的气球，一个小到只填充有几个气体分子的气球却不然。因为，即使在恒温下，这几个分子也会间或地、完全随机地互相远离，使气球膨胀，同理，它们也偶尔会完全随机地向内运动，使气球收缩。因此，一个极小气球的行为在很大程度上将变得不可预测。(www.xing528.com)

在生活的其他方面，基于大数的秩序性及可预测性对我们来说已经非常熟悉了。比如，美国人比加拿大人喜欢打棒球，而加拿大人比美国人喜欢打冰球。基于这项统计“规律”，一个人可以对这两个国家做一些进一步的预测，比如美国会比加拿大进口更多的棒球，而加拿大会比美国进口更多的冰球棍。但是，尽管这样的统计“规律”对有几百几千万居民的国家来说具有预测性价值，但是它们却无法精确地预测单个的小镇，比如一个位于明尼苏达州或萨斯喀彻温省的小镇中冰球棍或棒球的贸易。

薛定谔并不只是简单地认识到经典物理学的统计规律在微观层面并不适用，他更近一步量化了精确性衰退的过程，计算出那些统计规律的离差与涉及粒子数量的平方根成反比。因此，一个填充有1012粒子的气球，其对气体定律的偏离程度是1/106。然而，一个仅填充有100个粒子的气球，其偏离有序行为的程度就达到了1/10。虽然此时该气球受热仍然会膨胀，遇冷仍然会收缩，但是它的行为不再能被任何确定性的定律所描述。经典物理学的所有统计规律都受制于这样的限制：对于由极大量粒子组成的物体来说，它们是正确的，但它们却不能描述由少量粒子组成的物体的行为。所以，任何依赖于经典定律可靠性与规律性的物体，自身需要由大量的粒子构成。

那么生命呢？生命的有序行为，比如其遗传规律，是否可以用统计规律解释呢？在思考这一问题时，薛定谔总结道，奠定了热力学基础的“来自无序的有序”原理无法解释生命——因为，在他看来，至少有一些极其微小的生物“机器”因为太小而不适用经典定律。

来自无序的有序和来自有序的有序

order from disorder, order from order

薛定谔提出有序事件的产生，有两种不同的“机制”：“来自无序的有序”的“统计学机制”和“来自有序的有序”的一种机制。“有序来自有序”似乎很简单，很合理。而“来自无序的有序”是基于对极大量粒子无序运动的统计结果。