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书名:生命是什么?pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语:

作者:(奥)埃尔温·薛定谔著

出版社:商务印书馆

出版时间:2018-10-01

书籍编号:30623866

ISBN:9787100164306

正文语种:中文

字数:51528

版次:

所属分类:社会科学-哲学

全书内容:

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前    言


20世纪50年代初,我还是一个学数学的年轻学生。那时我读的书并不很多,但我的确读了埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)的一些著作,至少是读完了这本书。我一直觉得他的著作很能激发兴趣,其发现令人振奋,使我们对生活于其中的这个神秘世界有了某种全新的认识。在他的著作中,短篇经典《生命是什么?》无疑最具有这种品质。如今我意识到,这本书必定属于20世纪最有影响的科学著作之列。它是一位物理学家的有力尝试,试图理解真正的生命奥秘,他的深刻洞见已经在很大程度上改变了我们对世界组成的理解。这本书的交叉科学范围之广在当时是罕见的,但它的写作亲切、轻松而又谦逊,使得非专业人士和有志于成为科学家的年轻人也可以读懂。事实上,在生物学领域做出过重要贡献的许多科学家,比如霍尔丹(J.B.S.Haldane)和克里克(Francis Crick),都承认受到过这位极为原创和思想深刻的物理学家在书中提出的诸多观念的影响,尽管他们并不总是完全同意这些观念。


就像对人类思维产生过重大影响的许多著作一样,本书也提出了一些一旦理解、其真理性就几乎不言自明的观点;但这些观点仍然被许多本应有更深认识的人所忽视。我们不是经常听到“量子效应与生物学研究没有多大关系”,或者“我们吃东西是为了获取能量”这样的说法吗?这表明,薛定谔的《生命是什么?》今天仍然与我们有关。它的确值得一读再读!




罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)



1991年8月9日

序    言1


人们通常认为,科学家对某些学科拥有全面而深入的一手知识,因此他不会就他并不精通的论题去著书立说。这就是所谓的位高则任重(noblesse oblige)。可是,为了目前这本书的写作,如果我有什么高位的话,我恳请放弃它,从而免去随之而来的重任。我的理由如下:


我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。被赋予最高学府的名称[即university]注1使我们想到,从古至今数千年,只有普遍性才是最受称赞的方面。然而近一百多年来,知识的各种分支在广度和深度上的扩展却使我们面临一种奇特的困境。我们清楚地感觉到,要把所有已知的东西融合成一个整体,我们现在才刚刚开始获得可靠的材料;但另一方面,一个人要想充分掌握比一个狭小的专门领域更多的知识,已经变得几乎不可能了。


要想摆脱这种困境(以免永远无法实现我们真正的目标),我认为唯一的出路是:我们当中某些人敢于对这些事实和理论进行综合,即使只有不完备的二手知识——并且冒着干出傻事的危险。


我的辩解就到这里。




语言的障碍是不容忽视的。一个人的母语就像一件合身的衣服,如果手头没有而不得不另找一件来代替,他不可能感到很舒服。我要感谢英克斯特(Inkster)博士(都柏林三一学院)、帕德里克·布朗(Padraig Browne)博士(梅努斯圣帕特里克学院)以及罗伯茨(S.C.Roberts)先生。他们费了很大气力使这件新衣服适合我的身材,而我有时不愿放弃自己“独创”的式样,以致给他们增添了更大的麻烦。倘若经过我这些朋友的努力,书中仍然留有一些“独创”样式的痕迹,那么责任在我而不在他们。2


许多节的标题本来是想作为页边摘要的,每一章的正文应当连贯地读下去。




E.薛定谔

都柏林
1944年9月

我思故我在。


——笛卡儿




第一章  经典物理学家对这一主题的探讨3

1.研究的一般性质和目的


这本小书源于一位理论物理学家为大约400名听众所做的一次公众讲演。虽然我们从一开始就提醒说这个主题很难懂,而且即使几乎没有使用物理学家最让人畏惧的数学演绎这个武器,讲演也不可能很通俗,但听众基本上没有减少。之所以如此,并不是因为这个主题简单得不用数学就可以解释清楚,而是因为问题过于复杂,以致不能完全用数学来处理。讲演至少听起来还比较通俗,这是因为讲演者试图把盘桓于生物学和物理学之间的基本观念向生物学家讲清楚。


实际上,尽管涉及的论题多种多样,但整本书只是要表达一种想法——对一个重大问题的一点评论。为了不迷失方向,我们不妨先把计划很简要地概述一下。


这个讨论得很多的重大问题是:


在一个生命有机体的空间界限内发生的时空中的事件,如何用物理学和化学来解释?


这本小书力图阐述和确立的初步回答可以概括如下:4


当前的物理学和化学显然无法解释这些事件,但我们并不能因此而怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释。

2.统计物理学。结构上的根本差别


如果它只是为了激起未来获得成功的希望,那么这样说也未免太平凡了。它有着更为积极的意义,那就是,迄今为止物理学和化学的这种无能为力已经得到了充分说明。


今天,由于生物学家、主要是遗传学家在最近三四十年里所做的创造性工作,我们对有机体的实际物质结构及其机能已经了解很多,这些知识足以说明并且是精确地说明,当前的物理学和化学为什么还不能解释生命有机体内部在时空中发生的事件。


一个有机体最具活性部分的原子的排列以及这些排列的相互作用,与迄今为止被物理学家和化学家当作实验和理论研究对象的所有那些原子排列都有根本的差别。然而,除了深信物理学和化学定律完全是统计学定律的那些物理学家之外,别人也许会认为我方才所说的那种根本差别是无足轻重的。注2这是因为,认为生命有机体活性部分的结构迥异于物理学家和化学家在实验室或书桌旁用体力或脑力处理的任何一块物质的结构,这与统计学的观点有关。注3要把如此发现的定律和规则直接应用于系统的行为,而该系统又不表现出那些定律和规则所基于的结构,这几乎是难以想象的。5


我们甚至不能指望非物理学家能够理解我方才用非常抽象的术语所表述的“统计结构”上的差别,更不要说去理解这种差别的重大意义了。为使陈述更为生动有趣,我先把后面要详细说明的内容提前讲一下,即活细胞最重要的部分——染色体纤丝——可以被恰当地称为非周期性晶体。迄今为止,我们在物理学中只处理过周期性晶体。在一位谦卑的物理学家看来,周期性晶体已经非常有趣和复杂了;它们构成了最有吸引力和最复杂的物质结构之一,由于这些结构,无生命的自然已经使物理学家费尽心思了。然而与非周期性晶体相比,它是相当简单和乏味的。两者在结构上的差别就如同一张是反复出现同一种图案的普通壁纸,另一幅则是技艺精湛的刺绣,比如一条拉斐尔挂毯,它显示的绝非单调的重复,而是那位大师绘制的一幅精致的、有条理的、富含意义的图案。


在把周期性晶体称为他所研究的最复杂的对象之一时,我想到的是严格意义上的物理学家。事实上,有机化学在研究越来越复杂的分子时,已经十分接近那种“非周期性晶体”了,在我看来,那正是生命的物质载体。因此,有机化学家对生命问题已经做出了重大贡献,而物理学家则几乎无所作为,这不足为奇。

3.素朴物理学家对这一主题的探讨6


我已经非常简要地说明了我们研究的一般想法,或者毋宁说是最终的范围,现在我来谈谈研究思路。


我打算首先提出或可称为“一个素朴物理学家对有机体的看法”,也就是这样一位物理学家可能想到的那些观点,他在学习了物理学特别是物理学的统计基础之后,开始思考有机体及其行为和运作方式。他认真地问自己:根据他之所学,根据其相对简单、清楚和谦卑的科学观点,他能否为这个问题做出一些适当的贡献?


事实证明,他是能够做出贡献的。接下来他便把理论预见与生物学事实作比较。结果将表明,他的观点大体上是合理的,但需要作一些修正。这样一来,我们将逐渐接近正确的观点,或者更谦虚地说,将逐渐接近我认为正确的观点。


即使我在这一点上是正确的,我也不知道我的道路是否最佳和最简单。不过,这毕竟是我的道路。这位“素朴物理学家”就是我自己。除了我自己的这条曲折道路以外,我找不到通往这个目标的更好或更清楚的路。

4.为什么原子如此之小?


为了阐明“素朴物理学家的看法”,我们不妨从一个古怪的、近乎荒谬的问题开始讲起:为什么原子如此之小?首先,它们确实很小。日常生活中碰到的每一小块物质都含有大量原子。为使听众理解这个事实,人们设计了许多例子,但给人印象最深的莫过于开尔文勋爵(Lord Kelvin)使用的一个例子:假定你能给一杯水中的分子做上标记,再把这杯水倒入海洋,然后彻底加以搅拌,使有标记的分子均匀地分布于七大洋;然后,如果你从海洋中任何地方舀出一杯水来,你将发现这杯水中大约有100个你所标记的分子。注47


原子的实际尺寸注5约为黄光波长的1/5000到1/2000之间。这一比较是有意义的,因为此波长大致给出了在显微镜下仍能辨认的最小颗粒的大小。即使是这么小的颗粒也含有几十亿个原子。


那么,为什么原子如此之小呢?


显然,这个问题是一种回避,因为我们的实际目的并非原子的大小。我们关心的是有机体的大小,特别是我们自己身体的大小。当我们以日常的长度单位,比如码或米作为量度时,原子确实是很小的。在原子物理学中,人们通常使用所谓的埃(简写为Å),即1米的1010分之一,或0.000 000 000 1米。原子的直径在1Å到2Å之间。这些日常单位(与它相比,原子非常之小)与我们身体的大小密切相关。有一个故事说,码来源于一个英国国王的幽默。大臣们问他采用什么单位,他把手臂往旁边一伸说:“取我胸部中央到手指尖的距离就可以了。”不论是真是假,这个故事对我们来说很重要。这个国王自然会指出一个适合与他自己身体相比的长度,他知道其他任何长度都会很不方便。尽管物理学家偏爱埃这个单位,但在做一件新衣服时,他宁愿被告知这件衣服需用6码半布呢,而不是650亿埃布呢?8


既已确定我们问题的真正目的在于两种长度——我们身体的长度和原子的长度——之比,而原子的独立存在具有无可争议的优先性,于是这个问题实际上应当理解为:同原子相比,我们的身体为什么一定要这么大?


可以想象,许多头脑敏锐的人在学习物理学或化学时会对以下事实感到遗憾:感觉器官构成了我们身体上比较重要的部分,因而(从上述比例大小来看)是由无数原子构成的,但我们的每一个感觉器官都过于粗糙,无法被单个原子的碰撞所影响,单个原子我们是看不到、听不到也感受不到的。我们关于原子的假说与我们粗大迟钝的感官所直接发现的东西极为不同,而且也不能通过直接观察来检验。


一定是这样的吗?是否有内在的原因可以解释?为了查明和理解为什么感官不合乎自然界的这些定律,我们能否把这一事态追溯到某种第一原理呢?


这一次,物理学家能够完全弄清楚这个问题了。对所有提问的回答都是肯定的。

5.有机体的运作需要精确的物理定律


如果情况不是这样,如果我们的有机体非常敏感,以至于单个原子或者哪怕是几个原子也能给我们的感官造成一种可知觉的印象——天哪,那生命将是什么样子?有一点需要强调:几乎可以肯定,那种有机体不可能发展出一种有秩序的思想,使这种思想在经历一连串早期阶段之后,能够最终形成原子的观念和其他许多观念。9


尽管我们选择了这一点来谈,但下面一些考虑本质上也适用于大脑和感觉系统以外各个器官的运作。然而最让我们对自身感兴趣的是,我们在感觉、思维和知觉。对于负责思想和感觉的生理过程来说,大脑和感觉系统以外的所有其他器官只能起辅助作用,至少从人的观点看是如此,即使不是从纯客观的生物学观点来看。此外,这将大大方便我们去挑选那些密切伴随主观事件的过程来研究,尽管我们对这种密切伴随的真正本性一无所知。事实上在我看来,它超出了自然科学的范围,而且很可能完全超出了人的理解。


于是,我们面临着以下问题:像我们的大脑这样的器官以及附属于它的感觉系统,为使其物理变化状态密切对应于一种高度发达的思想,为什么必须由大量原子所构成呢?上述器官(作为一个整体或者它直接与环境相互作用的某些外围部分)所实现的任务,较之于一台精致和灵敏到足以反映并记录外界单个原子碰撞的机械装置,基于什么理由说它们是不一致的呢?


理由是,我们所说的思想(1)本身是一种有序的东西,(2)只能应用于在一定程度上有序的材料,即知觉或经验。这有两个推论。首先,一个身体组织,要想与思想密切对应(比如我的大脑与我的思想密切对应),就必须是一种非常有序的组织,这意味着在它内部发生的事件必须遵循严格的物理定律,至少要达到很高程度的准确性。其次,外界其他物体对那个物理上组织得很好的系统所造成的物理印象(显然对应于相应思想的知觉和经验),构成了我所说的思想材料。因此一般来说,我们的系统与别人的系统之间的物理相互作用本身具有某种程度的物理秩序,也就是说,它们也必须遵循严格的物理定律并达到一定程度的准确性。10

6.物理定律基于原子统计学,因而只是近似的


仅由少量原子构成并且已经可以对一个或几个原子的碰撞做出反应的有机体,为什么无法实现这一切呢?


因为我们知道,所有原子每时每刻都在作完全无序的热运动,可以说,这种运动破坏了它们的有序行为,使发生在少量原子之间的事件不能按照任何可认识的定律表现出来。只有在大量原子的合作中,统计学定律才开始影响和控制这些集合体的行为,其准确性随着原子数目的增加而增加。诸事件正是以这种方式获得了真正有序的特征。在生命有机体中起重要作用的所有已知的物理学和化学定律都是这种统计学定律;我们所能想到的任何其他种类的规律性和秩序总是被原子不停的热运动所扰乱,或是变得不起作用。

7.它们的精确性基于大量原子的介入。第一个例子(顺磁性)


我想用几个例子来说明这一点。这是从数千个例子中随便举出的几个,对于初次了解这种状况的读者来说,它们不一定是最吸引人的。这种状况在现代物理学和化学很基本,就像“有机体由细胞组成”在生物学中,牛顿定律在天文学中,甚至是整数序列1, 2, 3, 4, 5……在数学中一样基本。不能指望一个初学者读了以下几页就能完全理解和领会这一主题,该主题是与路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)和威拉德·吉布斯(Willard Gibbs)的威名联系在一起的,在教科书中被称为“统计热力学”。11


如果你给一个长方形的水晶管里充满氧气,把它放入一个磁场,你会发现气体被磁化了。磁化是因为氧分子是一些小磁体,有像罗盘针一样与磁场平行的倾向。但千万不要认为它们全都转向了平行。因为如果你把磁场加倍,那么氧气中的磁化也会加倍,磁化随着你使用的场强而增加,这种成比例的增加可以达到极高的场强。

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图1  顺磁性

这是纯粹统计学定律的一个特别清楚的例子。磁场倾向于产生的指向不断遭到随机指向的热运动的对抗。实际上,这种斗争的结果只是使偶极轴与场之间的锐角比钝角稍占优势。虽然单个原子在不断改变其指向,但平均来看(由于它们数目极多),一种沿着场的方向并与之成比例的指向稍占优势。这一别出心裁的解释是法国物理学家郎之万(P.Langevin)提出的。它可以通过以下方式来检验。如果观察到的弱磁化的确源于相互对抗的倾向,也就是说,源于旨在把所有分子梳理平行的磁场与有利于随机指向的热运动之间

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