物理學家如何用量子力學的視角直擊生命遺傳的奧祕。
聽書筆記
埃爾溫·薛定諤：奧地利物理學家，量子力學奠基人，1933年諾貝爾物理學獎得主。他一生追求不同學科間的和諧統一，並在《生命是什麼》中致力於將物理學和生物學統一起來，以量子力學的視角直擊生命遺傳的奧祕。本書成爲里程碑式的科普經典，感召了無數物理學家進軍生物學研究。
一、生命機體
所有的生命體都由大量的原子構成。經典物理學認爲，原子足夠小，數量足夠多，這不僅實現了生命的複雜，更帶來了生命的井然有序。根據熱運動定律，所有的原子每時每刻都在進行毫無規則的熱運動，只有當足夠多的原子聚集在一起時，才會表現出一定程度的宏觀趨勢，也就形成了有序性。原子越多，有序性就越明顯。
但是，在生命體當中，存在着一些極小的原子團，它們小到不足以用統計規律來描述，卻仍然以高度的秩序在運行。這些與衆不同的原子團就是基因。一個基因包含的原子數只有1000個，可能還要更少。如果按照熱力學定律，這樣少的數量不可能維持高度秩序，也就無法穩定地遺傳物種性狀。但是，實際情況是基因遺傳的穩定性高到堪稱奇蹟，基因複製的錯誤率通常小於十億分之一。
薛定諤用量子力學解釋了這種精確性的奧祕。他提出，基因存在於一種“非周期性晶體”結構中，它與自然界常見的“週期性晶體”不同，粒子排列並不是像瓷磚、牆紙上的花紋一樣簡單地週期重複，而是像一張精美的刺繡一樣，具有獨特的設計，各個原子各司其職發揮作用。正如薛定諤所預測的，後來發現的DNA雙螺旋分子結構正是一個非周期性晶體，基因就存在於這種結構上。薛定諤總結，經典物理學是有序來自於無序，只有量足夠多才能產生秩序。但是生命體卻給出了完全不同的運行機制，它證明了有序也可以來自有序，一個很小的、具有高度組織化的原子團，同樣可以有序地工作。這是量子力學作用的結果。
除了保持穩定之外，基因還需要突變，以推動物種進化。薛定諤推測，基因突變是量子躍遷的結果。量子躍遷是指微觀粒子在吸收一份固定的能量時，從一個狀態跳躍到另一個狀態的過程，這種跳躍不存在中間狀態。當基因內發生量子躍遷時，就產生了突變。由於量子世界的能量是按份傳遞的，必須達到一定劑量才能誘發突變，所以日常生活中突變總是一個小概率事件，只有暴露在X射線等高能射線下才會提高突變率。
在揭開遺傳的奧祕之後，薛定諤提出了一個核心問題：生命的本質是什麼。他認爲，生命的本質是吸收秩序，是汲取負熵。負熵就是熵的對立，熵代表的是無序，而負熵表示的是有序。人從食物裏吸收負熵，來對抗自然界的熵增定律，維持生命秩序。一旦生命死去，無法汲取負熵，就會迅速腐爛變質，按照熵增定律變成一堆無序的物質。太陽是地球的負熵來源，植物吸收了陽光中的負熵，高等動物通過吃掉植物來獲得負熵，同時排泄物帶走熵。排泄物中殘存的負熵還能供植物和微生物繼續吸收。從根本上講，整個生物圈其實就是一個負熵傳遞的過程。這就是生命的本質。
二、思維意識
薛定諤認爲，意識應該是客觀世界的一部分。他認爲科學界存在一個巨大的缺陷，那就是科學世界的圖景中沒有給人類“意識”留下任何空間。
薛定諤提出這個觀點，是因爲量子力學的發展促使人們重新審視對“意識”的瞭解。量子力學發現，觀測這個動作可以改變粒子的原有狀態。以玻爾爲代表的哥本哈根學派認爲，意識在參與影響物質世界。但薛定諤提出了著名的思想實驗“薛定諤的貓”，來反駁主觀意識決定論。人的意志居然能決定貓的死活，這是不可能的。
其實所謂的觀測，並不是主觀行爲，而是一個客觀的物理事件。“看”這個動作只是光子反射到視網膜上，而不是從眼睛裏發出某種視線。當光子撞擊到粒子上再反射到眼睛中時，必然會對粒子產生干擾，所以觀測行爲會影響粒子的狀態其實很正常。世界上沒有徹底的，純粹作爲旁觀者的觀測，只不過光子對宏觀物體影響小，對微觀粒子影響大。之所以我們會誇大意識在微觀世界的作用，是因爲我們把“看”這個動作理解成爲一個純粹的主觀行爲。
如果將認知主體排除在客觀世界之外，認爲像“看”這樣的動作只屬於意識範疇，而不屬於科學範疇，那麼就會引發悖論，因爲物質世界就會不存在顏色、聲音、冷熱這些我們常見的所謂客觀現象。世界就會沒有顏色，只有光波；沒有聲音，只有振動；沒有冷熱，只有溫度值。但是，色彩、音樂、冷暖都是我們真切感知的東西，它們應該被納入科學的範疇。雖然意識和感覺不能告訴我們物質的客觀性質，但卻是我們最初的信息來源。只有先感知到了顏色，進而才能找到光波。可以說，所有的科學知識都是以感覺爲基礎，意識和存在之間根本就沒有主觀和客觀之分。薛定諤說，我只被賦予了一個世界，而不是存在和感知分開的兩個世界。主體和客體之間的屏障實際根本不存在。因此，科學態度必須重建，也就是說，要將無法迴避的意識現象納入到科學世界的圖景之中。
解讀 | 韓春苗
中央廣播電視總檯編輯，國際新聞學碩士，全國廣播影視“十佳百優”理論人才。
播音 | 張煜
策劃編輯 | 陳豔
27 окт 2020
