买政尧:《生命是什么》:薛定谔的书和他的旺

 常见问题     |      2020-10-30 07:59

  很多人可能都知道,著名的量子力学家薛定谔写过一本书,书名为《生命是什么》(What is Life ?)。这本书在今天的科学价值与名气,当然远远不及他的波函数方程及他的那只又死又活的猫。可是,历史的事实是,薛定谔的这本书的名声与影响,在当时远远地超过了他的方程式和那只猫。

  这本书在当时具有极大的影响,第一次正式地将量子力学理论应用于生物学,开启了量子生物学的篇章。为什么在当时具有如此巨大的反响?应该说,它来源于薛定谔他那旺盛的“生命力”,以及他在爱尔兰时期激情燃烧的岁月。让我们来简单地回顾一下这段有趣的历史。

  薛定谔1887年出生在奥地利维也纳,从1906年至1910年在维也纳大学学习物理与数学并在1910年取得博士学位。此后在维也纳物理研究所工作。薛定谔从小深受著名德国哲学家叔本华的影响,对哲学、生物、东方思想等深感兴趣。

  1925年,在苏黎世大学担任教授的薛定谔读到了德布罗意有关物质波理论的博士论文,薛定谔本人又受爱因斯坦波粒二象性等思想的影响颇深,他从而决定建立一个描述电子波动行为的波方程。1925年底至1926年初是薛定谔的“奇迹年”。在这5个月的时间里,历来绯闻纷纷的他常和老情人幽会。

  但也是在这5个月,特别是1925年12月里,将自己与情人,据说还带了一只猫(这个尚未考证),关在了一个几乎与世隔绝的山间小屋里,激情大发,完成了量子力学的基本方程。1926年1月至6月间,薛定谔发表了四篇都名为《量子化就是本征值问题》的论文,详细论述了电子的波动方程、电子的波函数以及相应的本征值(量子数)。1933年获得诺贝尔物理学奖。

  薛定谔状态叠加猫导致波函数及方程

  这对39岁的薛定谔来说不可思议。直到现在,科学界也没有搞清楚,那个陪伴着他产生波动方程的情人到底是谁。他的同事、也是他妻子安妮(Anny)的情人、赫曼-外尔评价道:他“在他生命中的一次色情爆发中做出了他伟大的工作”。爱因斯坦也颇有感触地对薛定谔说:“你的灵感犹如泉水,源自于一位真正的天才”。笔者猜想,也许,爱因斯坦也有某种同感吧。

  这里顺便提一下爱因斯坦的第一任妻子米列娃(Mileva)的故事。据最近出版的一本新书:《爱因斯坦夫人:米列娃-爱因斯坦-马里奇的真实故事》(Einstein's Wife: The Real Story of Mileva Einstein-Maric,麻省理工学院出版社2019年3月刚出版不久),据新发现的1986年的通信,她是一位超越丈夫的杰出数学家,并且她在1905年为他最著名的论文做出了难以置信的贡献(这是后话,以后有机会再讲)。

  我们还是回到薛定谔的故事。1938年薛定谔由于纳粹德国合并奧地利第一共和国组成大德意志联邦,他离开奥地利并迁往爱尔兰都柏林,在那里他于1940年建立了理论物理学院并一直担任主任,直到1956年返回维也纳,在维也纳大学理论物理研究所教学直到去世。死后如愿在他的墓碑上刻着以他命名的薛定谔方程。

  让我们回到1943年2月。薛定谔的众多女友的其中的一个,在当地势力最大的基督圣三一教会(Trinity)里做志愿服务。通过这个女友,教会邀请大名鼎鼎、逃离纳粹政权的薛定谔,在著名的都柏林圣三一学院,为他们举办关于什么是生命的传道讲说。在第二次世界大战的生死边缘的黑暗时期,在一个处于欧洲边缘的孤立国家里,人们热切地期望着了解生命是什么的具体涵义。

  薛定谔要讲说的消息传出,教友们奔走相告,也触动了上层。讲座举办的第一天,场面颇为隆重,当时爱尔兰的总理埃蒙·德·瓦勒拉(Eamon de Valera,爱尔兰共和国首任总理和第3任总统)亲自带领其内阁成员和教会领袖,都端坐在讲台下听讲。

  这个系列演讲后来进行了一个多月,每堂课时400多人的大讲堂里都座无虚席,连走道与门边都坐满了人、挤得水泄不通。次年即1944年,这个系列演讲被整理成书出版,即是极具影响力的小书,取名《生命是什么》。

  《生命是什么》原装本

  这本小金黄书一出版,不仅仅是被为期一个多月的众多听众抢购,而且被许多无论是知道还是不知道量子力学的、了解还是不了解生物学的,都希望能有这本书。量子力学在当时知道与了解的人并不多,可以说是凤毛麟角,因为其太怪异、太高深,远没有如当今这样家喻户晓,几乎只是在当时身处物理神圣殿堂里的高级专家学者中传播交流。

  但是,这本书的书名却是如此的通俗浅近,在一般民众心里,好像都知道生命是什么。然而又从来没有任何人正式地提出这个问题。因为新颖、通俗而吸引。特别是,由如此著名的物理学家来具体阐述。人们渴望了解通过高深的物理知识所阐述的生命的真实涵义。

  薛定谔成为了当时妇孺皆知、如日中天的大明星。他说,他喜欢带着情人“滑雪、滑冰、游泳、和爬山”。每到一处,身后常常紧跟着一大群疯狂的女粉丝、追星族。其中许多人并不知道或并不理解他的方程式和他的那只猫,可是对他本人及其这本小金黄书却情有独钟、疯狂痴迷,纷纷要求签名留念。

  这么一大群狂热的追星女粉丝常常出现在薛定谔跟前,薛定谔感到颇为受用,这在客观上也助长了他那旺盛的“生命力”。薛定谔的同事调侃说,他就是一只大活猫(Erwin Schrdinger is a very live cat),同他那另一只毒死的猫构成为一个完美的波函数叠加,“他的波函数的‘波粒二象性’,比不上他的‘老婆-情人二象性’”(The wave-particle duality of his wave function is not comparable to his wife-lover duality)。

  薛定谔后来回忆起他在爱尔兰的这段日子,情不自禁地将爱尔兰描述为:“世界上唯一一个像我这样的人能够舒适地生活而没有直接义务,可以自由地遵循我所有幻想的地方”。有学者评论道,在都柏林的这段时间里,薛定谔做出了他一生的学术生涯中最具有科学普及价值的事儿,就体现在这本书所具有的非同凡响的影响力。如果从当今书籍销售角度来讲,薛定谔的商业营销手段可为一流。

  著名的生物化学家、都柏林圣三一学院卢克-奥尼尔教授认为,作为一位卓越的物理学家在那个时候陷入生物学,是一场赌博,但“对一个处于欧洲边缘的孤立国家,在第二次世界大战的黑暗时期,确实发挥了重要的作用“。

  后来的事实证明,薛定谔将量子力学应用于生物学问题,从量子与原子尺度上的探讨基因分子结构的突变,基于当时的量子力学、生物学、生命科学水平,难有突破。所以不久以后的二十年,量子生物学逐渐被陷入了低潮。直到20世纪70年代,美籍瑞典物理学家、诺贝尔物理奖评委佩尔-奥洛夫·勒夫丁(Per-Olov Lwdin)发表了质子隧穿效应(proton tunneling effect)作为DNA突变的另一种机制。 他在论文中指出,一个新的研究领域叫做“量子生物学”(Quantum Biology)。

  量子生物学可以说是一门由薛定谔的《生命是什么》所开启的一门非传统而又年轻的科学。之所以是非传统,是因为由非传统的量子力学及其创始人非传统的人格与激情所开启;所谓又年轻,指的是最近几十年才开始取得一些突破性成果,有所发展,量子生物学重新焕发其青春活力。

  为什么说,薛定谔的《生命是什么》开启了量子生物学的诞生?这本书具体写的是什么?有什么具体的科学意义?我们在下节文章中继续讲解。

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