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物理学与生物学交会地带的经典巨著!
生命是什么?无机物是如何构筑生命与心智?
在本书中,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,从物理学领域探究“生命是什么”这一问题,试图回答生命运作之物理机制——
生命是由复杂的长链有机质所构成,然而,这长链有机物又如何才能够运作?
门德尔所提出的遗传学说背后的物理原理是什么?
生命是以物理定律为基础吗?
物质的运作是如何引发意识?
意识又奠基于何者而存在?
……
《科学人》杂志说:“你可以在几个小时内读完本书,但你一辈子也不会遗忘。”
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。
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,因患病逝于维也纳,他的墓碑上刻着以他命名的。
目录
自序
第一部分 生命是什么
第一章 经典物理学家对生命问题的探讨 003
第二章 遗传机制 021
第三章 突变 037
第四章 量子力学的论据 053
第五章 对德尔勃吕克模型的讨论和检验 065
第六章 有序,无序和熵 079
第七章 生命是以物理学定律为基础的吗 091
后记 决定论与自由意志 103
第二部分 意识与物质
第一章 意识的物质基础 111
第二章 认知未来 123
第三章 客观性原则 141
第四章 算术诡论:意识的单一性 155
第五章 科学与宗教 169
第六章 感知的奥秘 185
第三部分 自传
精彩书摘
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[ 这种说法可能显得过于笼统,对这个问题将在本书第七章的7、8节中详细讨论。
]。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[ F.G.道南在两篇极富启发性的文章中表达了这个观点。见Scientia,1918年,24卷,78期,第10页,《物理化学能否恰当地描述生物学现象》;1929年斯密斯学院报告,第309页,《生命的秘密》。
]。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[ 现在,一般认为原子没有确切的边界,因此,事实上原子的大小不是一个含义十分明确的概念。多采用固体或液体中两原子的原子核间距来表示它(或者替代它),但是,不能用气体中的原子核间距表示,因为常温常压下,气体中这个间距几乎大了10倍。
]。
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。
……
《宇宙的织锦:从量子跃迁到生命的起源》 序言:一场跨越维度的思想漫游 在浩瀚无垠的宇宙图景中,生命宛如一曲奇妙的交响乐,其旋律在量子泡沫的微观尺度与星系交织的宏观尺度间回荡。本书并非一本详尽的科学史教科书,也不是一本枯燥的科普读物。它是一次思想的探索,一次对宇宙深层奥秘的追问,一次对生命在物理法则下绽放的惊叹。我们将从最微小的量子粒子出发,感受它们不可思议的跃迁与纠缠,如同宇宙最基础的脉搏;我们将穿越物理定律的宏伟殿堂,领略引力、电磁力、强核力、弱核力如何在时空中编织出万物存在的基石;我们将目光投向生命的诞生,探寻从无机到有机、从简单到复杂的演化轨迹,思考生命是否是宇宙固有的一种可能性,抑或是一种偶然的奇迹。 本书的创作灵感,来源于对那些“为什么”的好奇,对那些“如何实现”的追寻。我们生活在一个由物理定律支配的世界,从最精密的原子钟到最遥远的星系,无不遵循着普适的法则。然而,当我们将目光聚焦于生命,那些规律又似乎变得更加复杂,更加令人着迷。生命体是如何在能量守恒、熵增等基本物理原理的约束下,依然能够自我组织、自我复制、并不断适应环境的?这其中是否存在着我们尚未完全理解的物理机制,或是某种更为深邃的宇宙哲学? 我们将尝试构建一个连贯的叙事,将看似独立的物理学分支与生命科学的谜团巧妙地联系起来。我们不会止步于简单的陈述,而是试图深入挖掘其背后的逻辑和联系。从量子的不确定性原理出发,思考它如何可能影响到生物分子的化学反应,进而影响到遗传信息的传递。从热力学第二定律的熵增趋势出发,探讨生命如何在局部区域制造秩序,并消耗能量来对抗不可避免的衰败。从宇宙大爆炸的起点出发,追溯元素的生成,以及它们如何在恒星的熔炉中锻造,最终成为构成我们身体的物质。 本书的目标读者,是那些对宇宙奥秘充满好奇,对生命现象感到惊叹,并愿意深入思考的读者。无论您是物理学爱好者、生物学学生、哲学探索者,或是仅仅对“我们从哪里来,到哪里去”这样的终极问题感兴趣的任何人,都希望您能在本书中找到属于自己的启发与思考。我们将力求用清晰易懂的语言,避免过多的专业术语,但同时又不会牺牲科学的严谨性。我们将采用类比、故事和思想实验等多种方式,引导读者一同进入这场思想的盛宴。 第一章:量子之舞:微观世界的奇异律动 本章将带领读者潜入物质最深层的构成。我们将从量子力学的核心概念入手,例如量子叠加、量子纠缠和量子隧穿。想象一下,一个粒子可以同时存在于多个位置,直到被观测时才“坍缩”成一个确定的状态——这便是量子叠加的奇妙之处。而量子纠缠,则如同两个相隔万里的粒子之间,拥有着一种神秘的、瞬时的联系,一方的状态改变,另一方会立即做出相应。这是否暗示着宇宙中存在着某种我们尚未触及的连接网络? 我们将探讨这些看似抽象的量子现象,如何可能在生物学的尺度上产生影响。例如,一些科学家推测,光合作用中能量的传输可能就利用了量子相干性,以达到近乎完美的效率。又或者,鸟类可能利用量子效应来感知地磁场,从而完成长距离的迁徙。这些并非科幻的臆想,而是正在被积极探索的科学前沿。理解量子的不确定性,也可能帮助我们理解生命的随机性与进化过程中的偶然性。 第二章:宇宙的骨架:物理定律的宏伟交响 本章将视角拉升,审视构成宇宙的四种基本力:引力、电磁力、强核力和弱核力。我们将解释这些力是如何塑造了从原子到星系的万事万物。爱因斯坦的广义相对论将带我们理解引力并非一种“力”,而是时空弯曲的结果,它支配着行星的轨道,引导着星系的运动,甚至影响着宇宙的膨胀。 电磁力,则是构成物质的基本纽带。它决定了原子如何结合成分子,化学反应如何发生,以及我们所见的色彩和光线。生命的几乎所有化学过程,都离不开电磁力的精妙调控。而强核力和弱核力,则在原子核的内部扮演着至关重要的角色,它们是恒星能够燃烧、元素能够合成的关键。本章将强调,生命的化学基础,即构成有机分子的元素,它们的产生离不开恒星内部的核聚变。 第三章:秩序的诞生:熵与生命的悖论 热力学第二定律,即“熵增定律”,是宇宙中最基本的趋势之一:在孤立系统中,熵(衡量无序程度的指标)总是趋于增加。然而,生命体恰恰是高度有序的系统,它们不断地从环境中获取能量和物质,来维持自身的结构和功能,并进行新陈代谢,产生“低熵”的有序结构。这看起来似乎与熵增定律相悖。 本章将深入探讨生命如何在遵守热力学定律的前提下,创造出局部的秩序。我们将解释,生命并非一个孤立系统,而是通过不断地向环境释放高熵的废弃物(例如热量和二氧化碳),来补偿自身内部熵的降低。生命因此成为了一个“开放的、耗散的”系统,它通过消耗能量来“对抗”熵增。我们将思考,这种“创造秩序”的能力,是否是生命区别于无机物最根本的物理特征之一。 第四章:物质的低语:生命的化学基石 生命并非凭空产生,它建立在特定的化学元素和分子之上。本章将聚焦于构成生命的“基本砖块”,例如碳、氢、氧、氮等。我们将探讨碳原子独特的成键能力,为何使其成为构建复杂有机分子的理想选择。DNA、蛋白质、脂类等生命大分子,它们是如何在物理和化学定律的约束下,组装成如此精巧的结构,并执行着如此复杂的功能? 我们将追溯生命的化学起源,从早期地球环境中无机物如何通过化学反应生成简单的有机分子,再到这些有机分子如何聚集、演化,最终形成第一个能够自我复制的生命单元。我们将思考,在宇宙的其他角落,是否存在着与地球相似的化学条件,能够孕育出类似的生命形式? 第五章:信息的传递:从DNA到意识的迷思 生命最令人着迷的特征之一,便是信息的传递和存储。DNA,这个双螺旋结构的分子,如同一个精巧的“生命蓝图”,承载着世代相传的遗传信息。本章将探讨DNA的复制、转录和翻译过程,以及它们如何在物理和化学原理的指导下精确地进行。 更进一步,我们将触及生命信息传递的终极谜团——意识。意识是否仅仅是大量神经元复杂交互的宏观涌现,还是其中也涉及到更深层次的物理原理?量子力学中的某些概念,例如信息守恒,是否能为我们理解意识的存在提供新的视角?我们将从物质基础出发,尝试连接起微观粒子的量子行为,到复杂生物体的宏观表现,再到人类意识的神秘体验。 第六章:宇宙的未来与生命的可能 在理解了生命的物理基础和宇宙的运行规律之后,本章将把目光投向遥远的未来。宇宙是否会走向热寂?生命又将如何在这宏大的演化进程中扮演角色?我们将探讨生命的适应性、进化以及潜在的超越性。生命是否有可能在不同的物理环境中,以我们无法想象的形式存在? 本书最终希望引发的,是对生命在宇宙中地位的深刻反思。我们是宇宙偶然的产物,还是某种必然的存在?生命的出现,是宇宙本身的一种“创造力”的体现吗?我们将以开放的心态,鼓励读者在理解科学事实的基础上,进行更广阔的哲学思考。 结语:永无止境的探索 《宇宙的织锦:从量子跃迁到生命的起源》并非一本包含最终答案的书,而是一扇敞开的大门,邀请您一同走进对宇宙和生命奥秘的永无止境的探索之旅。我们相信,对未知的好奇心,是驱动人类进步的最强大动力。愿本书能点燃您心中的火花,让您在仰望星空时,心中充满更多的问题,也找到更多思考的方向。