第2章 经典物理学家走近，这个主题(1)

“我思故我在。”，——笛卡儿

1．研究的一般性质和目的

本书是一位理论物理学家对大约400名听众所作的一次公开演讲。在演讲之前我就断言这是一个比较晦涩难懂的题目，即便较少使用复杂的数学演绎法，恐怕演讲也会有些难懂，然而听众却没有因此而减少。较少使用数学推理，并不是说这个问题简单；相反，这个问题太过复杂以至于无法用数学语言来表达。尽管如此，演讲者还是竭尽所能，用最通俗易懂的语言，把介于生理学和物理学之间的基本概念阐释清楚。

实际上，本书涉及的问题很多，但我的任务是把一个基本的问题阐释清楚，其他的问题也就随之迎刃而解了。为了更加明确我们的方向，简要地阐述本书的计划显得尤为重要。

本书即将讨论的重大问题是：发生在生命世界中的事件，怎样用物理学和化学的原理来解释？这种事件的发生与时间和空间的关系又是怎样的呢？

本书得出的初步结论概括为：时至今日的物理学和化学在解释上述问题时的局限和无奈，并不能成为这些问题无法用科学的原则和方法来解释的理由。

2．统计物理学结构上的根本差别

如果仅仅是因为过去没有取得成就而激起新的希望，那么上面的注释和论述就更加显得微乎其微了。我们在意的倒是，为什么直到现在都没有取得丝毫实质性的进展，这恐怕是最有价值和意义的地方。在近三四十年来，由于生物学家（大部分为遗传基因专家）的不懈努力，关于真实有机体的结构和功能状况已经足够精确地说明了为什么现代的物理学和化学不能够解释说明生命有机体在时间和空间范围内发生的事件。

一个有机体最重要部分的原子排列及其之间相互作用的方式，和物理学家、化学家所安排设置的原子是不同的。物理学家和化学家经常为了实验或者理性的研究而特意对有机体的原子排列采取一定的措施。一个有机体的最活跃部分的原子排列方式及相互作用方式，与现今所有的物理学家、化学家进行理论研究和实验的原子排列是不同的。有些物理学家认为物理学和化学的定律一直是统计力学的性质，并对此深信不疑。除了他们之外，其余的学者们会把我前文所说的差别当做是无足轻重并且经常发生的。有机体的最活跃部分的结构是非常复杂的，这与物理学家和化学家所处理的物质有着天壤之别——他们一般在实验室里用体力作实验而在书桌旁边用脑力进行思考。这种看法与统计力学的观点有些类似。正是生命有机体的活跃部分自身具有特殊的结构，才使得物理学家和化学家要把曾经发现的规律直接应用到生命有机体的行为上去几乎是不可能的。加之，这个生命系统又不具备这些规律发生作用的基础结构，因而更是难上加难！

我刚才费力表达的“统计力学结构”，并不奢望物理学之外的人士能够准确地理解其含义，更不要说让他们去辨别这些含义之间的关系了。为了不使文章的论述太过枯燥，我在这里先把后面讲到的内容概述一下：活细胞的最重要部分是染色体纤丝，我们也可以称为非周期性晶体。直到现在，我们遇到的大多是周期性晶体。在一个普通的物理学家眼里，周期性晶体就已经是十分复杂的物质了——它们构成的极具吸引力和最复杂的结构使得无生命的自然界变幻莫测。然而，如果拿它们与非周期性晶体相比的话，其复杂程度便逊色了许多。两种不同物质的结构差别，就像是糊墙纸和刺绣的不同；一个是重复同一的花纹，一个是绚丽多彩的刺绣。这就好比拉斐尔的花毡，它显示的不是单调的重复，而是伟大的富有创新意义的设计。

对于物理学家而言，周期性晶体是他们专业领域中最为复杂的研究对象之一。事实上，有机化学家们在日益广泛的探索中已经或多或少地接触到了“非周期性晶体”——我认为它就是生命的物质载体。因此，物理学家在生命问题上始终未获得巨大的突破，而有机化学家却建树颇丰，这就不足为奇了。

3．一个朴素物理学家对这个主题的探讨

简要说明了研究工作的观点后，我们就直入主题吧。首先，我解释一下“一位朴素物理学家的有机体观点”。这位物理学家学习了物理学的相关知识尤其是统计力学后，开始探索有机体的活动和功能方式。他试图根据学到的知识和科学观点，对这个问题作出适当的解释。很幸运，他发现是能够解释这个问题的。紧接着，他把理论上的预见和生物学的事实加以比照。除了一些细微的地方有些出入，比较的结果说明了他的观点大体上是正确的。如果照这样继续下去，他就会不断接近正确的观点，或者说接近自己所认为的正确观点。

即使在这里我是正确的，我也不知道这条探索的路径是否是最好和最简单的。这位物理学家就是我自己，虽然我找不到其他的达到这个目标的更好方法，但这毕竟是我的途径。

4．为什么原子如此之小

要想说明“朴素物理学家的观点”，可以从一个非常好但却有点可笑的问题开始——为什么原子如此之小呢？首先，它们的确很小。生活中的每一块物质都含有数目极其惊人的原子，为了让大家清晰地感受到这一点，我们不妨拿开尔文勋爵引用的例子作个形象的说明：如果给一杯水中的所有分子都做上记号，再把这杯水倒进海洋，经过彻底搅拌后使得这杯水均匀地分布在世界七大洋中；如果你从海洋中的随意一处舀出一杯水来，将会发现这杯水中大约有100个有记号的分子。

原子的实际大小是黄色波长的1/5000到1/2000之间。通过对这个数据的比较，可以大概辨认出在显微镜下最小微粒的大小。即便是这么小的微粒，它的体积里面还包含着数十亿个原子。

那么，为什么原子会这么小呢？

很显然，只从表面回答这个问题是行不通的，因为问题的真正目的并不在于原子的大小，而是有机体的大小，尤其是我们自己身体的大小。如果我们用日常的长度单位衡量时，比如码（1码约为0.9144米）或米，原子的确非常小。而在原子物理学中，物理学家们通常用埃（符号为Å，一公尺的百亿分之一，如果以十进位小数计算则是0.0000000001米。原子的直径则是在1～2埃的范围内。我们身体的大小与日常的长度单位是紧密相关的。有一个故事说，码来源于一个英国国王的幽默故事。当身边的大臣问他采用什么度量单位时，他随意地把手臂伸出来说：“从我的胸部中央到手指尖的长度，就把它作为度量单位吧。”这个故事是真是假，我们暂且不论，但它对我们来说的意义在于：国王无意中就提出了一个与自己身体相比拟的长度，他明白用其他的东西做单位是很不方便的。因此，尽管物理学家对“埃”这个单位情有独钟，但是当他选择做一件新衣服的时候，他宁愿别人告诉他用六码半（约为5.9436米）的布料而不是650亿埃的呢。

所以，我们提出的问题的真正目的在于两种长度的比例——一种是我们身体的长度，一种是原子的长度。鉴于原子是一种特殊的独立存在体，我们可以反过来提问：与原子相比，为什么我们的身体这么长？

不难想象，有很多聪慧过人的物理学和化学系的学生对下面的事实感到十分遗憾。许许多多的感觉器官构成了我们身体的重要部位，然而从组成的比例来看，它们又是由数以万计的原子组成的，因此，感觉器官在感受单个原子的碰撞方面就显得有些粗糙和不灵敏了。我们看不见单个原子，更摸不着也听不见。假说中的原子和我们迟钝的感觉器官直接感受到的东西是不同的，而且也不能通过直接的观察就能检验到原子。，一定是上文所说的那样吗？是不是有内在的原因可以解释这个现象？为了能够理解并阐释清楚为什么感觉器官和大自然的规律之间的相斥，我们可以追溯到某种第一性的原理吗？

对上面问题的疑问，物理学家的回答是肯定的，这是他们所能彻底搞清楚的一个问题。

5．有机体的活动需要精确的物理学定律

如果生命有机体的感觉器官十分灵敏，而不是那么迟钝，那么我们的感觉器官就很容易感觉单个原子或者少数几个原子的印象了。如果真的是那样，生命将会是什么样子呢？我先郑重其事地声明一点：毫无疑问，那样一种有机体是绝不会发展出有序的思维的。而这种有序思维历经漫长的时间才能最终形成原子的观念以及其他观念。

虽然我们只是列举了感觉器官，其实以下的讨论对于大脑和感觉器官以外的诸多器官功能也是可以解释的。对于我们每个个体而言，最能引起我们兴趣的还是：感觉、思维和知觉是如何在我们身上发生作用的。在思维和知觉的过程中，大脑和感觉系统起主要的作用，其他器官的功能只不过起辅助作用罢了。也许从纯粹客观的生物学视角来看不是这样，但至少从我们人类的观点来看确实是这样的。这种认识有利于我们选择一种与人类认识紧密相伴的过程进行研究，即使我们对这一过程的性质知之甚少。实际上就我个人来看，这已经远远超出了自然科学的范围之外，甚至也完全超出了人类理性所能达到的极限。

让我们继续讨论下面的问题：为什么诸如人类大脑之类的感觉器官以及附属于它的感觉系统必须由大量的原子组成？大脑以及它直接与周围环境相互作用的某些外围部分，与一个精致灵敏地反映和记录外界单个原子碰撞的机器相比，为什么它们之间的差异这么大呢？

我想有两个理由可以解释：第一，被我们津津乐道的思想本身就是一个有秩序的体系；第二，思想只能是建筑在有一定秩序性的知觉或经验之上的。于是便产生了两个结果：其一，思想必定是与相对应的躯体组织紧密相关，鉴于思想的秩序性，躯体组织也一定是十分有秩序的，在其内部发生的事件一定遵守着某些严格准确的物理学定律；其二，与相应思想的知觉和经验相对应，外界物体对于具有良好组织的躯体所产生的反应，是我所说的思想的资料。由此看来，这个躯体系统和外界物体之间的相互作用具有物理学的秩序性，即它们必须遵循严格、准确的物理学定律。

6．物理学定律是以原子统计力学为根据的，因而只是近似的