對話薛定諤：量子力學與生命科學
本文是物理學研究者還原薛定諤與記者對談的物理思辨撰文，從薛定諤的量子力學角度討論生命科學：量子：生命的「原子核」的對話，從9個方面探尋了量子物理與生命科學之間的聯繫。
來源環球物理，回歸de旅程整理編輯，轉載請註明出處。
記者：人們普遍認為，科學是一件極端嚴肅的事情，因此科學家只應該就自己的專業領域發表意見，而對於那些並不精通的領域要心持謹慎，絕對不能胡亂髮言。你倒好，生命科學並非你的專業，而你不僅給400多位聽眾舉行公開演講，甚至還撰寫什麼《生命是什麼？》，闡述你關於生命科學的理論。常言道，尊貴者負重任，你就不怕誤人於歧途嗎？
薛定諤：物理學與生命科學表面上屬於兩個完全不同的領域，但是從宏觀視野來看，無論是物理學，還是生命科學、化學、地理學等等，都不過是自然科學的一個門類或其中幾個門類而已。自然科學要發展，就必要要有人去總結各門類自然科學發展的最新成果，進行歸納研究，從中總結出共性的規律，並用這些規律去指引具體學科的研究工作。
記者：你說的絕對有道理。孤軍深入、各自為戰，只會讓科學走進死胡同。
薛定諤：科學家是幹什麼的？科學家就是要去總結普遍性。當代最高學府叫「大學」，英語是「university」，含義就是「普遍性」，一種理論只有升華到放之四海而皆準的水平，才是唯一可以打滿分的。遺憾的是，隨著當代知識各個學科分支在廣度和深度上的拓展，諸學科之間的隔閡越來越大。絕大多數科學家不願意跨出這一步，不願意去超越學科進行普遍性研究。這是很危險的。你應該知道在經濟學中有一個叫做「格雷欣法則」的理論吧？
記者：經濟學我不陌生，「格雷欣法則」，就是劣幣驅逐良幣法則，就是含金量小的貨幣越來越把含金量大的貨幣擠到到一邊去。
薛定諤：而在科學領域，也存在這樣一個規律，就是基礎性研究越來越讓位於分支學科。這種做法是很危險的，我在上面說過。
記者：危險何在？
薛定諤：你看看，由於缺乏基礎性的、普遍性的研究，各門分支科學之間就缺乏必要的溝通，久而久之就導致各個分支學科也難以發展。生命科學長期止步不前，就在於自我封閉。物理學長期也止步不前，同樣在於自我封閉。這些科學家從來不去想想，如果從生命科學的角度去研究物理學，如果從物理學的角度去研究生命科學，或許別開洞天。可是沒有人願意這樣做，沒有人敢於這樣做。
記者：確實是沒有人敢於去冒這個險。弄不好會沒人罵作傻蛋一個。吃力不討好！
薛定諤：在這種情況下，就需要像我這樣的人，敢於利用自己並不精通的第二手資料，敢於超越自己的學術領域，去進行總結，去進行研究，去進行歸納，去進行演繹。要推動科學可持續發展，我看不出還有什麼別的辦法。
記者：絕對真理，為你點贊！你這種敢於挑戰自己的精神值得我學習，其實我也是這麼做的。我對哲學問題很感興趣，但是我覺得，如果不了解自然科學，尤其是對最前沿的科學成果不了解，哲學研究就會走進死胡同。德國哲學家維特根斯坦感嘆哲學衰落成為一種語言解釋工具，霍金也嘲笑哲學的可憐命運。原因就在這裡。你憑藉你雄厚的物理學功底，去對生命現象進行研究，我相信肯定會有嶄新發現。可否分享？
薛定諤：當然可以
記者：生命是一種極其複雜的現象，關於生命的定義，也是五花八門，千奇百怪，從最基本的層面上講，你認為生命的本質是什麼？
薛定諤：非生命現象的運行路徑是從有序，經歷平衡狀態而走向無序。生命現象的運行路徑是由無序經歷平衡狀態而走向有序。物理學家喜歡用「熵」這個詞來代表著某種混亂和無序，因此在我看來生命就是一種「負熵」，即與「熵」反其道而行之的一種現象。
記者：有點高深。
薛定諤：我再給你細細說一下，一塊物質什麼時候可以被認為是活的呢？答案顯然是：當這塊物質繼續在「做某些事情」、運動、和環境交換物質能量等等的時候，而且期望它比一塊無生命的物質在類似情況下「保持下去」的時間要長得多。
記者：「死」物質會如何呢？
薛定諤：與「活」物質完全相反。當一個非活的物質或系統被孤立起來，或把它放在一個均勻的環境里，由於各種摩擦阻力的結果，所有的運動都將很快停頓下來；電勢或化學勢的差別消失了，溫度也由於熱傳導而趨向於變得均一。衰退就是走向死亡，於是整個物質系統便退化成為死寂的了無生氣的一團物質。這種極限狀態，我們這些物理學家稱之為「最大熵」。
記者：還是有點專業。
薛定諤：還是其實也很簡單。以人為例，作為生命的人，無論是肉體，還是精神，都是有秩序的，有規律的，而很少存在混亂和無序。作為死亡的人就不一樣，無論是肉體，還是就其精神，是以混亂而無序而為標誌的。
記者：程序正常的機器就是計算機，而程序混亂的機器就是一堆破銅爛鐵。
薛定諤：你的理解力還可以嗎。
記者：我曾經就事物變化的原因與亞里士多德交流過，他說在萬物之中存在著某種潛能和活力，這種潛能和活力就是那種促進物質保持生命活力的根源。
薛定諤：現在還有很多人是這麼認為的。生命物質是依靠什麼來避免走向衰退的呢？顯然是新陳代謝，具體說就是依靠不斷的吃、喝、呼吸以及同化。正是通過這種不斷的新陳代謝運動，阻止混亂指數，也就是熵值的不斷攀升，而保持生命的可持續存在和進化。
記者：你總是提到「熵」這個概念，這個概念或者說思想是不是有點太模糊了？
薛定諤：一點都不。熵的概念是一個完全可以精確測量的物理量，就如同一根棍棒的長度、物體某時點的溫度、晶體的融化熱和物質的比熱等概念一樣。在物體的溫度處於絕對零度，即大約-273°的時候，任何物體的熵都等於零。熵的增加量可以這樣計算：在過程中每一個小步中系統或物質吸收的熱量除以吸收熱量時的絕對溫度，然後把一小步的結果加起來就是了。計算熵的單位是卡/攝氏度。
記者：越說越專業了，到此為止吧，再說我頭就暈了。
薛定諤：我倒覺得剛開始呢，好聽你的，淺嘗即止吧。
記者：我多次看過你的那本《生命是什麼？》，我也知道你是把量子力學理論與生命科學理論結合在一起進行研究，觀點很獨特，大數學家羅傑·彭羅斯告訴我說，發現DNA雙螺旋結構的英國科學家克里克，就是在你這本著作的影響下作出劃時代重大貢獻的。這個一點也沒錯，克里克多次在自己的著作中說過。好像另一位諾貝爾獎獲得者沃森也是如此。不過他是在什麼地方說的，我有點朦朧了。
薛定諤：無意插柳……
記者：提起生命科學，一般人都有些了解，但提起量子力學，好多人就感到陌生，因此，為便於你我的交流，也便於我以著作或文章的形式傳播你的學術觀點。
薛定諤：提起亞里士多德，你立即想到什麼？
記者：地心說。
薛定諤：提起哥白尼，你想到什麼？
記者：日心說。
薛定諤：提起牛頓你想到什麼？
記者：萬有引力？
薛定諤：什麼叫萬有引力？
記者：太陽吸引月亮，月亮吸引太陽；太陽吸引星星，星星吸引太陽；地球吸引月亮，月亮吸引地球……，總之，宇宙中的各個星球之間互相吸引。這就是萬有引力，力的大小與彼此的質量成正比，而與距離的平方成反比。
薛定諤：你看看，亞里士多德的理論、哥白尼的理論，牛頓的理論，有什麼共同點？
記者：共性不多。
薛定諤：最典型的一個共性就是這些理論都是研究「大」物體的，無論是太陽、地球、月亮，還是宇宙中的其他星球，都是一個個龐大的存在。與這些星球比較起來，人類簡直是微不足道。你人類無論如何去觀察它，你用燈光照射它，你用電流刺激它，甚至你用炸彈去轟炸它，人間我行我素，絲毫不會受到影響。
記者：這倒是，但是如果人類用核武器去對付它們，估計它們就會受到影響的。
薛定諤：確實如此。關於核武器，我們以後再談。我們不妨做個小結，以亞里士多德、哥白尼、牛頓為代表的物理學，是研究宏觀層面物理現象的，是研究「大」物體的，這些物體會越來越大，乃至達到無限。你同意嗎？
記者：同意，那你為什麼不說愛因斯坦呢？
薛定諤：你這個問題問得好。你對愛因斯坦的相對論是不是了解一點？
記者：或是皮毛。我就知道在愛因斯坦看來，光速時宇宙中運行速度最快的物體，他就是以此為基礎建立了自己的宇宙理論和物理學體系。具體贏高包括諸如空間彎曲理論、質量能量互換理論等等。
薛定諤：比可能還遺留了不少，愛因斯坦不僅研究宇宙這個「大東西」，在他的論文中，他還研究「光量子」，也就是光的顆粒這個「小」東西。可以說，愛因斯坦是一個「大」、「小」通吃的大科學家。
記者：你說得好像有點不盡正確，牛頓出版了《光學》，裡面對光學的研究似乎也很是深入嗎。
薛定諤：但有一點是不同的，牛頓對光的研究僅僅局限於對光的組成部分進行研究，從量子的角度來研究光，好像是從愛因斯坦開始的。不過真正的「量子力學之父」應該是普朗克。
記者:普朗克？
薛定諤：普朗克是在1900年12月14日這一天提出「能量子」這個概念，他在後來的一篇論文中，又將此正式定名為「量子」，因此人們一般是把這一天看作是量子力學正式誕生的日子。有人把愛因斯坦說成是量子力學創始人，我對此不予認同。愛因斯坦是在1905年發表的論文中提出「光量子」這個概念，因此他對量子力學的研究遠遠晚於普朗克。他的作用與普朗克不可同日而語。
記者：有一個問題我不太明白，作為量子力學理論的創始人和提倡者，普朗克和愛因斯坦為什麼後來又非常起勁地反對量子力學，尤其是愛因斯坦，直到臨死，都對量子力學耿耿於懷。
薛定諤：關於普朗克，他本身是一個很保守的科學家，對任何新的理論都是比較抵觸的，即便這個新理論是他自己有意或無意提出來的。而關於愛因斯坦，他被人們普遍視為一個極其革命性的科學家，但這個人卻是極端的頑固和保守。
記者：這個評價好新鮮。
薛定諤：愛因斯坦的威望太高了，一般人真的不敢對他品頭品足。我不迷信任何人，我必須要說出這一點。
記者：舉例說吧。
薛定諤：自然可以。例如，從他的相對論人們很容易就能推演出宇宙要麼是必然走向膨脹，要麼是必然走向微縮這個結論，但他就是堅持宇宙恆態理論，即便是採用造假搞什麼莫須有的宇宙常數，也要固守自己的觀點。尤其是讓我感到不可思議的是，當俄羅斯的年輕科學家弗里德曼指出愛因斯坦的計算錯誤時，愛因斯坦竟然是惱羞成怒，讓人家下不了台街。由於這種劣根性，愛因斯坦對人們提出的諸多量子力學新理論，如測不準理論、量子糾纏理論，他都是採取冷嘲熱諷的態度。納粹政權曾經說愛因斯坦的相對論是瘋子的學術，同樣愛因斯坦也攻擊過量子力學理論是精神病人的學問。
記者：愛因斯坦真的說過這樣的話？
薛定諤：他說沒說過這樣的話，你去研究吧。總之，一個科學家對科學事業的阻礙作用，往往都與這些科學家的聲望成正比。聲望越大，影響越是惡劣。量子力學理論雖然是目前最得到精確實驗證明的理論，但由於受到愛因斯坦這個重量級科學家的阻撓，直到今天，人們對量子力學還沒有根本性的解釋。對好多量子力學現象，人們只能是知其然而不知其所以然。對此，愛因斯坦等人負有不可推卸的責任。愛因斯坦的後半生並不僅僅是虛度年華的後半生，簡直就是一個阻礙科學發展的後半生。如果沒有愛因斯坦，不，如果沒有愛因斯坦的後半生，量子力學會大踏步向前邁進很遠的。
記者：愛因斯坦若聽到你的這個看法，他肯定會跟你玩命的。我還不得不提醒你，1931年瑞典科學院請愛因斯坦推薦諾貝爾獎候選人，他推薦的可是你啊。你卻如此評價愛因斯坦，是不是有點不近人情？
薛定諤：愛因斯坦推薦我，我表示感謝。但對愛因斯坦，我必須有什麼看法就如實說出來。人情是科學的天敵，正如人情也是政治的天敵一樣。愛因斯坦是一個怪物，最激進的革命性、最頑固的保守性，在他的身上竟然如此奇特地結合在一起。
記者：英國科學家克里克因為發現了基因的雙螺旋結構，從而揭開了「生命之謎」，也因而獲得了諾貝爾獎。克里克在不同場合多次承認他受到了你的影響。我想知道，克里克與沃森的發現大概是受到你書中的哪個理論的啟發？
薛定諤：克里克和沃森，特別是沃森也到處說他們因發現了DNA的雙螺旋結構就揭開了「生命之謎」，這是一種過度的誇張，生命的本質是精神，是意識，而不是幾塊骨頭、幾塊肉，幾泡尿，他們的雙螺旋理論能解釋精神和意識現象的來源？說不清。對一項科學發現，要實事求是地評價他們的價值，不要過度提升。
記者：你說的原則，沒錯。我也覺得他們的理論僅僅解決了生命的「物質之謎」，而沒有解決生命的「精神之謎」。
薛定諤：這個評價比較客觀，即便是在物質上，他們也僅僅是開了個頭。生命科學的後期發展你也是比較了解的。應該不用我說太多吧。如果說我的理論對克里克產生什麼影響，我估計是與我在書中說「染色體纖絲」就是生命的物質載體有關。
記者：應該是這個原因。長期以來，人們一直把蛋白質看成是遺傳的物質基礎，就連我最景仰的人之一——恩格斯也說什麼「生命是蛋白質存在方式」這類錯誤的話。你直接點出染色纖絲是遺傳的核心物質，肯定對那些細心的生命科學家會產生很大的影響。
薛定諤：你說得很有道理，也很專業。我繼續講，任何物質都有其最基本的構成單位。不過物理學家、化學家和生物學家眼中的構成單位在本質上應該是不同的。物理學意義上的構成單位是「周期性晶體」，這種晶體物質十分有趣而複雜，它們構成了最有吸引力和最複雜的一種物質結構，由於這些複雜的結構，僅僅是無生命的自然界就讓我們的物理學家費盡心思了。
記者：生命科學家眼中的構成單位應該是一種什麼樣子呢？
薛定諤：如果說自然界的構成單位，姑且成為「周期性晶體」，是重複著同一花紋的糊牆紙，令人感到單調重複，那麼生命科學意義的那個構成單位就是一幅堪稱傑作的刺繡，精緻而有條有理。很顯然，兩者一個在天上，一個在地下。我把後者稱為「非周期性晶體」，生命活細胞中最具有活力的部分就是這個，具體說就是染色體纖絲這種物質，這才是生命的真正的「密碼本」。
記者：高見，把你說成是生命科學家也不為過分。
薛定諤：我不過是總結了有機化學家們的研究成果而已，他們是實驗家，發現得了，總結不出來。這種現象太普遍了。
記者：荷蘭人德弗里斯在1902年發現，即便是完全純種繁育的後代里，也會出現極少數的個體，比如說幾萬分之一二，出現了細微的但是跳躍式的巨大變化。這個現象能否用量子力學的理論來予以解釋？
薛定諤：首先我要更正你的一個說法，你說的這種現象叫做「突變」，你當知道，突變並不是說這種變化是相當大的，而是這種變化是一種不連續的變化。
記者：不連續？我在看量子力學書籍的時候，經常看到這個詞。
薛定諤：所謂連續就是指在變與沒有變之間存在若干中間狀態，而突變是指在變與沒有變化之間不存在任何中間狀態。而並不是說這種變化是很大的，甚至說突變與變化大小几乎無關。
記者：原來如此。
薛定諤：當德弗里斯發現突變現象的時候，量子論問世不到2年，因此，當時是不可能有人會發現這兩個現象之間的關聯度。不過我可以擔任這個角色了。你應該知道，一個原子的性質，不是取決於原子核的性質，而是取決於原子內電子的性質。一個電子在常規的情況下，是沿著既定的軌道，按照特定的方向在運作的。這種常規形態下的物理運動，就是生命科學中遺傳現象得以存在的物理學基礎。這是常態。
記者：變異呢？
薛定諤：變異是生物進化的變態，體現在生物形態上就是出現明顯的不同於親代的變化。這種變化與原子世界中電子的躍遷現象是密切相關的。
記者：量子躍遷？
薛定諤：所謂的量子躍遷就是微觀狀態發生跳躍式變化的過程。由於微觀粒子的狀態常常是分立的，所以從一個狀態到另一個狀態的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發生之前的狀態稱為初態，躍遷發生之後的狀態稱為末態。例如，原子在光的照射下從高能態放出一個光子而躍遷到低能態就是一種量子躍遷過程，稱為原子的「受激輻射」。此外，量子躍遷好包括第二層含義，那就是量子的變化在其方向上也不是隨意的，它們總是按照幾種特定的方向上做運動。也正是量子世界的兩種躍遷狀態的疊加，決定了生命世界進化過程中必然會周期性地出現變異。
記者：量子躍遷應該是一種主流，應該是一種進化的源泉吧？
薛定諤：沒錯，沒有遺傳，就沒有萬物的延續，沒有躍遷引起的變異，就沒有萬物的進化。
記者：明白。
記者：你把生命現象與量子世界聯繫在一起進行研究，確實是一項創舉。既然生命就是量子世界的運動方式，人們自然就可以通過干預量子的運動形式，而促進生命形態按照人類的主觀願望也發生相應的改變。
薛定諤：當然可以。在牛頓、愛因斯坦的宏觀物理學中，人類的力量與這些宏觀物體之間比較起來簡直是小巫見大巫，人類對這些物體的觀察行為，基本上不影響這些物體的本來形態。山還是那個山，水還是那個水；星星還是那個星星，月亮還是那個月亮。也就是說，物質世界的形態作為一種客觀的存在，它不依賴於人類的主觀行為而單獨地存在。
記者：主觀行為？
薛定諤：實驗和觀察就是一種主觀行為。
記者：明白。難道微觀世界就不一樣了？
薛定諤：就是不一樣。
記者：我非常願意聽聽。
薛定諤：萬物都是由分子所構成，分子都是由原子構成，原子是由原子核和電子構成，至於更小的微粒，我們就不說了。我先來告訴你分子有多大。假定給一杯水中的分子一個一個做上標誌，你們中國人喜歡血腥的紅色，那我們就用紅色把這些分子塗成紅雞蛋一樣的東西吧。然後你把這杯水倒進海洋，徹底攪拌，使得這些紅雞蛋一樣的分子均勻地分布在全世界的七大海洋中。如果你從海洋中任何一處舀出一杯水來，你將發現這杯水中大約有100個紅雞蛋一樣的分子。分子之小可想而知了。
記者：原子能有多小呢？
薛定諤：我先問你一個問題，你不色盲吧？
記者：我弟弟比較嚴重，但我沒有。
薛定諤：那黃顏色你是能看得見你的。
記者：是的。
薛定諤：黃色光波是我們能在目前顯微鏡下看到的最小的東西了，即便是和這個最小的東西相當的微粒裡面，也包含著幾十億個原子，原子之小可想而知了吧。至於原子核、電子、光子……就不用說了。你想像都想像不出來。
記者：「小」意味著什麼？
薛定諤：「小」意味著我們人類一點點的觀察行為都能在微觀世界產生翻江倒海的影響。人類觀察微觀世界的那種感覺，與在颶風和海嘯的環境下觀察一個小蜜蜂的感覺是一樣的。一些量子力學家認為在微觀世界，物質的存在形態是一個永遠也為人類無法把握的東西，人類要使之看起來像波，它就是波；人類要使之成為粒子一樣的東西，它們就會成為粒子。
記者：你的話讓我不得不總結出這樣的結論，那就是在宏觀世界，物質的存在完全可以不依賴於人類的主觀行為而存在。而在微觀世界，物質的形態則完全依賴於人類的主觀行為，人類的主觀行為決定了物質的存在形式。
薛定諤：你這是哲學語言，我們就不要上綱上線了。你說的話雖然需要斟酌一下，但其核心思想我是認可的。回到我們的話題上，既然，生命行為是一種量子行為，是一種依託分子、原子、電子等微觀粒子而進行的量子化行為，人類自然就可以通過對量子世界施加影響，而促進基因發生某種顯著的突變。
記者：理論上似乎無懈可擊。按照你的說法，如果我們用某种放射性物質去照射基因，就可以促使基因組織發生變化，進而去改造物質，使之滿足人類的需求。一旦我們能做到這一點，決定動植物發展的，不再是達爾文筆下的自然選擇，而是我們人類的選擇了。自然選擇的世界，就會讓位於一個人擇的世界了。
薛定諤：這已經不是一種可能性，而逐步成為一種現實性了。早在1901年，孟德爾著名論文的三位發現者之一——荷蘭植物學家德·弗里斯就針對人工誘發基因突變的前景指出：「對突變原理和知識的了解，有可能在未來的某個時候充分地有計劃地進行人工誘發突變，即創造動、植物新的特性，而且很可能人類將通過控制突變的產生培育出栽培植物和動物的優良品種。」
1904年德·弗里斯還具體提出：「倫琴射線和居里射線能穿進活細胞的內部，可用於改變生物細胞的遺傳顆粒。」1927年，同是孟德爾著名論文發現者之一的美國遺傳學家H·J·穆勒在美國《科學》上發表了《基因的人工轉變》，公布了他用實驗方法證明人工改變基因的可能性的研究成果，他因此獲得了1946年諾貝爾獎。他是繼摩爾根之後獲得諾貝爾獎的遺傳學家。穆勒在論文中如此寫道：「高劑量X射線處理果蠅精子，能誘發受處理的生殖細胞發生高比例的基因突變。高劑量處理的突變率要比未受處理的生殖細胞高出15000%。」
1928年，科學家斯塔德勒用X射線誘發玉米和大麥的基因突變，實驗證明射線劑量與突變率之間存在著直線關係。而到了1934年，科學家鐵摩菲也夫則通過他刊登在
1934年《生物學評論》上的一篇報告提出：（1）突變頻率數的增加量嚴格地同射線的劑量成正比例關係，因而人們確實可以引進突變係數來表達這種比例關係。（2）如果廣泛地改變射線的性質，即波長，從軟的X射線到相當硬的γ射線，只要給予同一劑量，突變係數保持不變。還有……
記者：一提到生命科學，你是熱血沸騰。我看過一些分子遺傳學方面的書籍，感到人類通過誘發基因突變確實具有非常大的價值，例如培育新的動植物，修復損壞的基因組織以達到治病救人的目的。
薛定諤：基因工程大有可為，可惜，你我都是外行，我們只能敲敲邊鼓，只能為別人祝福了。
埃爾溫·薛定諤，量子力學創始人，1933年諾貝爾物理學獎獲得者。
薛定諤曾先後寫作了《生命是什麼》《科學與人文主義》《大自然與希臘人》《科學理論與人》《心與物》《我的世界觀》和去世後出版的《自然規律是什麼》等哲學論著和文集。他被當代著名物理學家西蒙尼認為「是我們世紀的物理學家中最為引人注目的哲學家」。
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