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内容简介
诺贝尔物理学奖得主、“玩猫狂人”薛定谔写给每个人的科学通识书。这本轻松而有趣的小书不到10万字，却是影响了整个世纪的“科学SHENG经”：
•首提“生命以负熵为食”的观点
•开启“生命即信息”的认知革命
•推动“分子生物学”的诞生
•直接启发了“DNA双螺旋结构”的发现
20世纪30年代末到40年代，薛定谔的兴趣从纯粹的物理学，转向了对生命与心灵问题的思索。为此，他进行了两场跨界演讲，在都柏林三一学院的系列演讲——“生命是什么”，以及在英国剑桥大学三一学院的演讲——“心灵与物质”。这两场演讲后来被整理出版成《生命是什么》一书。
薛定谔的演讲震撼了学术界，号召并激励了一大批优秀的物理学家投入生物学研究，包括因发现“DNA双螺旋结构”而获得诺贝尔奖的三位科学家——詹姆斯•沃森、弗朗西斯•克里克和莫里斯•威尔金斯。这场学科融合带来了20世纪生物学研究的爆发式成长，因此催生了“分子生物学”的诞生。
《生命是什么》是能让每个人都受益一生的科学启蒙经典之作。薛定谔的语言轻松、简洁、有趣，即使没有相关学科背景也能读懂。
作者简介
埃尔温•薛定谔（Erwin Schr•dinger，1887—1961），奥地利物理学家，量子物理奠基人之一，因提出举世闻名的波动力方程而荣获1933年诺贝尔物理学奖。1943年，他在都柏林三一学院的系列讲座中，阐述了对生命本质现象的思考，后来他将这些观点和论断整合，出版了《生命是什么》一书。这部小书是20世纪具有影响力的科学著作之一，吸引了许多物理学家转投生物学，直接启发了DNA双螺旋结构模型的发现，并且推动了分子生物学的诞生。
译者简介
梁震宇，广东广州人，荷兰代尔夫特理工大学与莱顿大学产业生态学理学硕士。嗜读书，爱写作，偶尔与古典乐同好排练演出。现居荷兰，主要从事笔译工作、跨文化交流与学术会议交替传译，兼职教授中文。
原文摘录
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，它们也必须遵守严格的物理定律并达到一定程度的准确性。 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。 在原子选定的一组不连续状态当中，或许存在但并不必然存在一个最低能级，它意味着原子核彼此紧密靠拢。这种状态下的原子便构成了一个分子。这里要强调的是，分子必定具有某种稳定性；除非外界至少把提升至下一个较高能级所需的能量差提供给它，否则构型是不会改变的。因此，这种定量的能级差定量地决定了分子的稳定程度。
书评
生命是什么？这个古老而深刻的问题自从人类有了意识就被提出了，却直到现在还没终极答案。物理学家当然也从来没有放弃过思考生命，并成功地用物理原理来解释生命，他们是最靠近上帝的人!其中最著名的莫过于薛定谔和他的《生命是什么》。而这篇文章也是也是受此书启发，在这里分别从熵和量子力学简要介绍一下有关生命的问题。 一.生命与负熵 在提及生命前首先先介绍一下负熵的概念。 我们应该都听说过S=k lnΩ这个波尔兹曼的著名公式。其中Ω是系统的一个宏观态包含的微观态数，它可以用来描述宏观态的混乱度，k是波尔兹曼常数，S是熵。也就是说熵可以度量系统的无序度，当系统趋向与宏观平衡态时，此时系统拥有的微观态数最大，而熵也最大，由此可得出熵增原理。而负熵，顾名思义，在熵前面加上负号，用来度量系统的有序度。 与负熵最先扯上关系的应该算是著名的“麦克斯韦妖”（可以和“薛定谔的猫”齐名） 1867年，麦克斯韦曾设想过一个能观察到所有分子速度的小精灵把守着一个容器中间隔板上小阀门，当看到右边的高速分子来到阀门时就打开让高速分子进入左室，当看到左边低速分子来到阀门时也打开让低速分子进入右室。设想阀门无摩擦，于是一个小精灵无需做功可使左室越来越热，右室越来越冷，从而使整个容器的熵降低了。这个小精灵被人们称为麦克斯韦妖。当时科学家对其展开了激烈的讨论，因为若这个模型成立就似乎违背了热力学第二定律（熵增原理）。后来在1929年，希拉德分析妖精若想控制开关，必须获得信息，而为获得信息所付出的代价就是系统熵的产生，而这额外的熵的产生抵消了整个容器的熵的减少，总的说起来，总的熵还是增加的。此时信息表征为负熵。信息虽然可以在很低的能量代价下传递，但要获得准确信息所需的能量则因为海森堡测不准原理而多得多。（在这个模型中可以看到生命的影子，而这个麦克斯韦的妖可以看成是酶） 但真正负熵概念的引进还是要追溯到薛定谔在上世纪四十年代写的《生命是什么》书中。 之前当时存在一种矛盾：热力学第二定律指出自然界的所有过程运动都将最终趋向无序化，而这与生命本身的高度有序化和已经在生物界广为接受的进化论显然不可调和，甚至可以说是两个 “风马牛不相及”的极端。 为此薛定谔提出生物有机体在吃喝、呼吸时是一个摄取“负熵”的过程，而又为了不违背熵增原理，生物有机体又不断地排放代谢终产物和散发热，把熵排放到环境中，而排放的熵要大于摄取的负熵，所以满足熵增原理。 而动物在利用食物时，排泄出来的是大大降解了的东西。然而还不是彻底的降解，因为植物还能利用它（当然，对植物来说，太阳光是负熵的最有力的供应者）。 需要强调的一点是散热这个过程不是可有可无的，而是必不可少。因为这正是我们去除生理过程中不断产生的剩余熵的方式。因此，温血动物的体温较高有利于以较快的速率排除熵，因而能产生更强烈的生命过程。（现在已经知道这和酶的活性有关，酶在这个温度效率最高） 综上则生命“以负熵为生”，从环境中抽取“序”来维持系统的组织。 但是他的理论还是只说明结果，却并不能解释过程，或者说还缺少一个动力学结构来解释生命。 生命的进化历程：从第一个单细胞无氧生命的诞生，到如今的生物多样性发展；从原生生物简单的趋避现象到现在人类高度发达的智力文明，这生命的进化历程显然是一个不断走向有序的不可逆过程。但为什么生命“以负熵为生”，从环境中抽取“序”来维持系统的组织便能推出这个过程呢？ 因此之后普里高津提出耗散结构理论。普里高津在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入一个全新的稳定有序状态；若将系统推离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。然后，他就把这种结构称为“耗散结构”。普里高津提出系统形成有序结构需要的条件： （1） 系统必须开放 即系统必须与外界进行物质、能量交换。 （2） 远离平衡态 开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡态推向远离平衡的非线性区，只有这时，才有可能形成有序结构，否则即使开放，也无济于事。 （3） 非线性作用 组成系统的子系统之间存在着非线性相互作用。正因为这样，子系统形成系统时，会涌现出新的性质。 关于非线性的放大机制的解释可以用右图解释。一个很小的 ΔX可以经过一级非线性放大成相对大得多的ΔY，而经过多级放大，一个很小的作用可以最终产生决定性的后果，也就是“蝴蝶效应”（南美的一只蝴蝶煽动一下翅膀引起了美国的一场飓风） （4） 涨落 涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态的条件下，非线性作用对随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。 偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。 而地球上的生命体都是远离平衡态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断的进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论之一。 这里存在一个“自组织”的概念。（其实耗散理论是其中一个部分）德国理论物理学家H. Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。从热力学的观点来说，“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程； 从统计力学的观点来说，“自组织”是指一个系统自发地从最可几率状态向几率较低状态的方向迁移的过程； 从进化论的观点来说，“自组织”是指一个系统在“遗传”、“变异”和“优胜劣汰”机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。 自组织系统在自然界中不象无机物质那样，听凭环境因素的作用、自发地发生变化，而是按照内在机制规定的方向进行物质和能量运动的，这就是保存和发展自身。自组织系统既然具有保存和发展自身的趋向，而又生活在一个变动不居的既有有利因素、又有不利因素的环境里，因此它在生存、发展中需要关于环境的信息，借以调整自己的行动而适应环境的变化。自组织系统就是借助于信息的指导作用，使自身在和环境的相互作用中从无序走向有序、从低序走向高序的。 在此我们再次看到了前面在麦克斯韦妖中提到的信息的概念，也可以说负熵在这里已经上升为信息，而我们现在正处在信息时代，信息的概念已经渗透到我们的日常生活之中。而物理原理是研究理想化的物质模型，之后再发展的理论因其复杂性便隶属于信息学，不再归物理范畴，可却能看到其诞生中的物理的影子。
2.生命与量子力学 这里量子力学主要和遗传物质相联系。 众所周之，生命中的一个重要特征就是遗传变异。这个特征决定了生命必须拥有一种的遗传物质，它既能够足够稳定地精确保存其绝大部分的遗传信息，又能在特殊的环境下产生变异来应对变化使生命特征得以延续。 而根据传统经典统计力学，可以推出一个有机体为了使它的内在生命以及它同外部世界的相互作用，都能为精确的定律所描述，它就必须有一个相当巨大的结构。因为传统经典统计力学，关于物理学定律的不确定度的期望值满足所谓的√n定律。比如若告诉你某气体在一定的压强和温度下具有一定的密度，比如说一定的体积内正好有n个气体分子，那么你可以确信，若能在某一瞬间进行检验，将会发现这个说法是不准确的。偏差的量级，若n=1oo,则为10，相对误差为10%，而n=1000 000,偏差大约为1 000，误差为0.1%。所以物理学和物理化学的相对不准确性总是可能发生在1/√n的相对误差范围之内。 可有机体内许多极其小的原子团，小到不足以显示精确的统计学定律。（比如一个基因结构包含1000或还要少个原子，用类似√n定律来算，则变异概率高达到3%这是不可能的）而它们在极有秩序和极有规律的事件中确实起着支配作用，它们控制着有机体在发育过程中获得的、可观察的大尺度性状，决定了有机体发挥功能的重要特征；在所有这些情况下，都显示了十分确定而严格的生物学定律。此时统计物理学似乎很难协调地来解释这方面事实，可以说陷入困境了，但量子理论可以提供解释。更确切的说，遗传机制是建立在量子论基础上的。 量子论的最大启示是在“大自然之书”中发现了不连续特点，并由此提出了能级的概念。而从一种不连续的状态转变为另一种，则称之为“量子跃迁”。 在给定的一组原子的若干个不连续状态中，不一定有但其中可能有是原子核彼此靠拢的最低能级，此时，原子组成了分子。需要着重指出的是分子必须具有一定的稳定性；除非外界供给给它以“泵浦”到邻近的较高能级所需的能量差额，否则构型不会改变。因此，这种数量十分确定的能级差定量地决定了分子的稳定程度。 下面只考虑不同温度下的分子稳定性，这是生物学问题中最感兴趣的一点。假定我们的原则系统一开始处在它的最低能级状态，物理学家把这个系统称为绝对零度下的分子。要把它提高到相邻的较高的状态或能级，就需要供给一定的能量。最简单的方式是给分子“加热”。把它带进一个高温环境（“热浴”），让周围的系统（原子、分子）冲击它。考虑到热运动的极度不规则性，不存在预感确定的、立即产生“泵浦”的、截然分明的温度界限。更确切的说，在任何温度下（只要不是绝对零度），都有出现“泵浦”的机会，这种机会是有大有小的，而且是随着“热浴”的温度而增加。表达这种机会的最佳的方式是，指出为了发生“泵浦”必须等待的平均时间，即“期待时间”。 而“期待时间”主要取决与两种能量之比，一种是为了“泵浦”而需要的能量差额（用W表示），另一种是描述有关温度下的热运动强度特性的量（称为特征能量kT,用T表示绝对温度，k表示波尔兹曼常数）。可以用数学表达式表示t=τexp(W/kT),期待时间t是通过指数函数的关系依赖与比值W/kT的，τ是10^(-10)或10^(-11)秒这幺小的常数（代表这个时间内系统里发生的振动周期的数量级）。由于是指数形式，比值W:KT的相当小的变化，会大大地影响期待时间。例如w是kT的30倍，期待时间可能短到1/10秒；但当w是KT的50倍时，期待时间将延长到16个月；而当w是kT的60倍是期待时间将延长到3万年！ 但在一些情况下，两个能级之间的自由通路被堵塞了，谈不上供给所需要的能量产生跃迁了；事实上，即使从比较高的状态到比较低的状态的通路也可能被堵塞了。 比如化学中的同分异构体，且分子愈大，同分异构体也愈多（有机化学中尤其典型）两个同分异构体的所有的物理常数和化学常数都是明显不同的。它们的能量也不同，代表了“不同的能级”。 而这种理论恰好可以解释基因遗传结构的特征。由振动能的偶然涨落所产生的分子某个部分构型的异构变化，实际上是非常罕见的事件，这就很好地解释了统计力学难以解释的基因结构的稳定性。而罕见的事件又对应与一次自发突变。因此，从量子力学出发，我们解释了关于突变的最惊人的事实。且突变是不出现中间形式的、跳跃式的变异。 再检验突变可能性公式：t=τexp(W/kT)（t是阈能W的突变的期待时间）可由此得出温度上升则期待时间减少，突变可能性增加。实际的动物实验比如果蝇实验证明这种可能性随温度上升提高得很明显(对于T+10和T的t的比值大约在1/2到1/5之间，也就是突变的可能性增加约两倍至五倍不等的差异) 而这种理论也解释了为什么X射线能诱发突变，用X射线照射亲代，可使后代中出现突变的百分比，也就是突变率，比很低的自然突变率增高好多倍，且突变率与射线的剂量严格地成正比例。因为克服阈值的能量一定是由爆炸式的过程(电离或激发过程)供给的。且X射线的电离作用或类似的过程恰好能克服阈值的能量，所以可以显著地提高突变率。 总的来说， 量子力学存在的能级概念是DNA等遗传物质变得相对稳定，要改变其结构须跨越一个势垒，于是出现突变的几率足够小，使物种得以在繁衍中缓慢进化。 结语 的确，世界是物质的，所以物理无处不在。对于神秘的生命，物理原理肯定远远不仅这些，而我所说的又只是已有理论的凤毛麟角罢了，深怕乱放阙词，所以便以“生命中的一些物理原理”作为题了。相信物理学家在生命科学以及任何其他学科的的研究中一定能写出最终回答“生命是什么？”的文章，到时候用什么标题应该都不为过了吧！ [1]