生命是什么？-第2部分

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以十进位小数计算则是0。0000000001公尺。原子的直径在1到2埃的范围内。日常单位（对它而言，原子是如此之小）同我们身体的大小是密切相关的。有一个故事说，码是起源于一个英国国王的幽默。他的大臣问他采用什么单位，他就把手臂向旁边一伸说：“取我胸部中央到手指尖的距离就行了。”不管它是真是假，这个故事对我们来说是有意义的。这个国王很自然地会指出一个可以同他自己的身体相比较的长度，他知道其他任何东西都将是很不方便的。不管物理学家怎样偏爱“埃”这个单位，但当他做一件新衣服时，他还是喜欢别人告诉他新衣需用六码半花呢，而不是六百五十亿埃的花呢。
　　
　　这样就确定了我们提出的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——的比例，而原子的长度具有独立存在的无可争辩的优越性，于是，应该这样提问题：同原子相比，我们的身体为什么一定要这么大？
　　
　　我能够想像到，许多聪明的物理学和化学的学生会对下列引为憾事的，就是说，我们的每一个感觉器官，构成了我们身体上多少是有点重要的部分，因而（从所提到的比例大小来看），它们是由无数原子组成的，这些感觉器官对于单个原子的碰撞来说是过于粗糙了。单个原子我们是看不见，摸不到的。我们关于原子的假说远远不同于我们粗大迟钝的感官所直接发现的东西，而且也不能作直接考察的检验。
　　
　　一定是那样的吗？还有没有内在的原因可以解释呢？为了确定并解释为什么感官不合乎自然界的这些定律，我们能从这种事态追溯到某种最重要的原理吗？
　　
　　这是物理学家能够完全搞清楚的一个问题。对所有提问的回答都是肯定的。
　　

　　5。　有机体的活动需要精确的物理学定律
　　
　　如果有机体的感官不是这么迟钝，而且能敏锐地感觉到单个原子，或者即使是几个原子都能在我们的感官上产生一种可知觉的印象——天哪，生命将象个什么样子呢？有一点是要着重指出的：可以断言，一个那种样子的有机体是不可能发展出有秩序的思想的，这种有秩序的思想在经历了漫长的早期阶段后，终于在许多其他的观念中间形成了关于原子的观念。
　　
　　尽管我们单单谈了上面这一点，下述的一些考虑对于大脑和感觉系统以外的各个器官的功能也是适用的。然而对我们自身来说，最感兴趣的唯一的一件事是：我们在感觉、思维和知觉。对于产生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的功能只是起辅助作用，假如我们不是从纯客观的生物学观点来看，至少从人类的观点来看是如此的。此外，这将大大有利于我们去拣那种由主观事件紧密伴随着的过程来进行研究，尽管我们对这种紧密的平行现象的真正性质是一无所知的。其实，据我看来，那是超出了自然科学范围之外的，而且也许是完全超出了人类理解之外的。
　　
　　于是，我们面临着下述问题：象我们的大脑这样的器官以及附属于它的感觉系统，为了使它的物理学上的变化状态密切地对应于高度发展的思想，为什么必须由大量的原子来构成呢？大脑及感官，作为一个整体的功能，或是在它直接同环境相互作用的某些外周部分中的功能，跟一台精巧而灵敏到足以反映并记录来自外界的单个原子的碰撞的机器相比，根据什么理由说它们是不相同的呢？
　　
　　理由是，我们所说的思想（1）它本身是一个有秩序的东西，（2）只能应用于具有一定程度的秩序的材料，即知觉或经验。这有两种结果。第一，同思想密切对应的躯体组织（如密切对应于我的思想的我的头脑）一定是十分有秩序的组织，那就意味着在它内部发生的事件必须遵循严格的物理学定律，至少是有高度的准确性。第二，外界其他物体对于那个物理学上组织得很好的系统所产生的物理学印象，显然是对应于相应思想的知觉和经验的，构成了我所说的思想的材料——知觉和经验。因此，在我们的系统和别人的系统之间的物理学上的相互作用，一般来说，它们本身是具有某种程度的物理学秩序，就是说，它们也必须遵循严格的物理学定律并达到一定程度的准确性。
　　

　　6。　物理学定律是以原子统计学为根据的，因而只是近似的
　　
　　仅由少量原子构成的，对于一个或几个原子的碰撞就已经是敏感的有机体，为什么也还是不能实现上述的一切呢？
　　
　　因为我们知道，所有的原子每时每刻都在进行着毫无秩序的热运动，就是说，这种运动抵消了它们的有秩序的行动，使得发生在少量原子之间的事件不能按照任何已知的定律表现出来。只有在无数的原子的合作中，统计学定律才开始影响和控制这些集合体的行为，它的精确性随着包括的原子数目的增加而增加。发生的事件就是通过那样的途径获得了真正有秩序的特征。现已知道，在生命有机体中起重要作用的所有物理学和化学的定律都是这种统计学的定律；人们所能想到的任何其他种类的规律性和秩序性，总是被原子的不停的运动所扰乱，或是被搞得不起作用。
　　

　　7。　它们的精确性是以大量原子的介入为基础的。第一个例子（顺磁性）
　　
　　我想用几个例子来说明这一点。这是从许多例子中随便举出几个，对于初次了解事物的这种状态的读者来说，不一定正好就是他最满意的例子。这里所说的事物的这种状态在现代物理学和化学中是基本的，就象生物学中的有机体是细胞组成的，或天文学中的牛顿定律，甚至象数学中的整数序列1；2；3；4；5……等基本事实一样。不应该指望一位十足的外行人读了下面几页就能十分理解和领会这个问题，这个问题是同路德维希？玻尔兹曼和威拉德？吉布斯的光辉名字联在一起的，在教科书中称之为“统计热力学”。
　　
　　如果你在一个长方形的水晶管里充氧，并把它放入磁场，你会发现气体被磁化了。这种磁化是由于氧分子是一些小的磁体，它们象罗盘针似的有着使自己与磁场平行的趋向。可是你千万别认为它们全都转向了平行。因为如果你把磁场加倍，氧气中的磁化作用也会加倍，磁化作用随着你用的场强而增加，这种按比例的增加可以达到极高的场强。
　　
　　这是纯粹统计学定律的一个特别清楚的例子。磁场要产生的取向不断地遭到随机取向的热运动的对抗。这样斗争的结果，实际上只是使偶极轴同场之间的锐角比钝角稍占优势。虽然单个原子在不断地改变它们的取向，然而平均地来看（由于它们的数量巨大），一种朝着场的方向并与之成比例的取向稍占优势。这一创造性的解释是法国物理学家P。郎之万作出的。它可以用下面的方法来验证。如果观察到的弱磁化确是对抗趋势的结果，就是说，如果确是梳理了所有分子使之平行的磁场、同随机取向的热运动的对抗趋势的结果，那就应该有可能通过减弱热运动来增强磁化作用，即用降低温度来代替加强磁场。实验已经证明了这一点，实验结果是磁化与绝对温度成反比，与理论（居里定律）是定量地相符的。现代的设备甚至能使我们通过降低温度把热运动减低到如此的不明显，以致能够表现出磁场自己的取向趋势，如果不是完全地表现，至少也足以产生“完全磁化”的一个实质性部分。在这种情况下，我们不再指望场强加倍会使磁化加倍；而是随着场的增强，磁化的增强越来越少，接近于所谓的“饱和”。这个预期也定量地被实验所证实了。
　　
　　要注意的是，这种情况完全依赖于产生可观察的磁化时进行合作的分子的巨大数量。否则，磁化就根本不会是恒定的，而将是无时无刻都在十分不规则地变化的，成为热运动同场之间相互抗衡消长的见证。
　　

　　8。　第二个例子（布朗运动，扩散）
　　
　　如果你把微滴组成的雾装进一个密封的玻璃容器的底部，你将发现雾的上面的界限在按一定的速度逐渐下沉。这种速度取决于空气的粘度和微滴的大小和比重。可是，如果你在显微下注视一粒微滴，你会发现它并不一直以恒定的速度在下沉，而是在作一种十分不规则的运动，即所谓布朗运动，只有平均地看，这种运动才相当于一种有规则的下沉。
　　
　　这些微滴并不是原子，可是它们既小又轻，足以感觉到不断碰撞敲击它表面的分子中间单个分子的碰撞。它们就是这样地碰撞着，只是从平均来说才服从重力的影响。
　　
　　这个例子说明，如果我们的感官也能感觉到只是几个分子的碰撞，那我们将会有多么莫名其妙和杂乱无章的经验呀。细菌和其他一些有机体是这么小，以致是受到这种现象的强烈影响的。它们的运动是由周围环境中的热的倏忽变动所决定的，它们自己没有选择的余地。如果它们自己有一点动力，它们还是有可能成功地从一处移到另一处，但是这还是有点困难的，因为热运动颠簸着它们，使它们象飘浮在汹涌大海中的一叶扁舟。
　　
　　非常类似于布朗运动的一种现象是扩散现象。在一只装满液体，比如装满水的容器中，溶解少量的有色物质，比如高锰酸钾，并使浓度不完全一样。如果你对这个系统放手不管，那么就开始了很缓慢的“扩散”过程。高锰酸钾将从高浓度的地方向低浓度的地方散布，直到均匀地分布于水中为止。
　　
　　关于这个简单的、显然不是特别有趣的过程来说，值得注意的是，决不是象人们所想像的那样，是由任何一种趋向或力量驱使高锰酸钾分子从稠密的地区迁到稀疏的地区——就象一个国家的人口分散到有更多活动余地的地区那样。在高锰酸钾分子那里，根本没有发生那样的事情。每一个高锰酸钾分子对所有其他的高锰酸钾分子来说，是完全独立地行动着，它很少彼此相碰。可是，每一个高锰酸钾分子，无论是在稠密的地区，还是在空旷的地区，都遭到水分子的不断撞击的同样命运，从而以一种不可预测的方向逐渐地向前移动——有时朝高浓度的方向，有时朝低浓度的方向，有时则是斜刺里移动。这种运动，常常同蒙住眼睛的人的活动相比拟。这个蒙住眼睛的人站在地面上，充满了某种“走路”的欲望，可是并没有选定任何特定的方向，因而不断地在变动着他的路线。
　　
　　尽管所有的高锰酸钾分子都是这样随机地走动，还是产生了一种有规则的朝低浓度方向的流动，最后造成了均匀的分布，乍看起来，这是令人困惑不解的——但仅仅是乍看起来而已。如果你把它想像为一层层浓度几乎恒定的薄片，某一瞬间某一薄片所含的高锰酸钾分子，由于它们的随机走动，确实将以相等的几率被带到右边或左边去。但正是由于这一点，一个隔着二块相邻薄片的平面上通过的分子，来自左面的比来自右面的要多，这只是由于左面比右面有更多的分子在从事随机行走的缘故。只要是这种情况，平均将表现为一种自左到右的有规则的流动，直到均匀分布。
　　
　　把这些想法译成数学语言时，精确的扩散定律可用偏微分方程来表达，我不打算解释这个方程式来麻烦读者，虽然它的含义用普通语言来说也是很简单的。这里之所以提到严格的“数学上精确的”定律，是为了强调它的物理学的精确性在每一项具体应用上一定还会受到挑战的。由于它是以纯机遇为根据的，所以它的正确性只是近似的。一般地说，如果它是一个极好的近似值，那也只是在扩散现象中有无数分子的合作的缘故。我们要预先考虑到，分子的数目愈少，偶然的偏差就愈大——在适合的条件下，这是可以观察到的。
　　
　　
　　9。　第三个例子（测量准确性的限度）
　　
　　我要举的最后一个例子同第二个例子是类似的，但它有特殊的意义。悬挂在一根细长纤丝上的平衡取向的轻物体，用电力、磁力或重力使它围绕垂直轴扭转，物理学家常用这种方法来测量使它偏离平衡位置的微弱的力（当然，这种轻物体必须视具体目的而适当地选用）。在不断努力改进这种常用的“扭力天平”的准确度时，遇到了一个奇妙的极限，极限本身是极其有趣的。选用愈来愈轻的物体和更细更长的纤丝——使这个天平能够感应愈来愈弱的力——当悬挂的物体愈明显地感受到周围分子的热运动的冲击，而在它的平衡位置附近开始进行象第二个例子中的微滴的