量子物理学可也解释”生命“吗

随着对环境和我们自身的理解的深化,我们发现,与以前相比,传统学科之间出现了更多的共同点。物理学研究物质和能量的基本属性,及其相互作用的方式;化学研究的是各种原子

量子物理学可也解释”生命“吗

如何聚集到一起并形成更为复杂的分子,以及这种过程对生成物的影响。这两门学科之间的共同点,是它们所研究的对象主要是无生命的物质。

生物学的研究对象是生物。我们目前遇到的主要障碍是,在自然界,无生命的物质似乎全部遵循各种自然规律,而生物则似乎有它们自身的意志。“目的性”这个词是对其意志所做的最好的阐释,也是最佳定义。它们努力去做一些事情,充分利用自然规律来实现自己的目标。同样的事情不会发生在无生命的物质身上。

物理学与化学之间的关联比它们与生物学的关联密切得多,这没什么好惊讶的。很少有科学家会否认量子物理学全面解释了许多化学定律,生物学却似乎得另当别论。生物学的某些部分看起来是与化学脱离的,更不要说将其简化成量子物理学了。

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人们认为,某些鸟类在迁徙过程中会利用奇特的量子效应来探测地球引力。

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以进化论为例。首先,假设有一种具备繁殖能力的原始生物,它的后代会发生一定比例的基因随机突变,某些环境因素会使一些突变发展得比其他部分更好。将这些条件结合起来,我们可以预见,将有一些更为复杂的生物(虽然最简单的生物似乎仍占主导地位)出现。毫无疑问,达尔文的观点对我们周围的所有生物的复杂性做出了最佳解释。我们知道,物种通过各种基因突变发生变化,一些新的物种之所以能生存下来,是因为它们比对手更能适应所生存的环境。但是,适者生存的“法则”是否像化学一样,也遵从量子物理学的基本定律呢?

各种生物系统是否能利用量子物理的奇异性来提高它们生存的机会?对这一问题的简单回答是:是,它们似乎可以做到。有证据证明,即使最不寻常的量子效应,即量子纠缠,

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也可以被正在进行光合作用的植物加以利用,将光能以最有效的方式引向产生能量的部位。相应地,人们认为,一些鸟类在迁徙过程中会用奇特的量子效应来探测地球引力。量子物理学给各种生物系统带来了效率优势,使得生物系统可以同时执行几个任务。这些发现令人振奋,并激发了一个新兴的领域,即量子生物学,也引起了越来越多的科学家及公众的关注。

但是,这与将生物学简化成物理学毫无关联。生命体也会利用经典力学和地心引力,但这并不意味着经典力学和地心引力能够解释生物自身的进化。生命体可以与所有物理学原理相一致,但我们仍然需要物理学之外的原理来解释生命体。事实上,大多数生物学家都认为,在某种程度上,生命体必须遵循所有的物理学法则,所以生命体的确与物理学的法则相一致。生命体不仅利用物理学法则,而且也受其影响,环境会通过物理学影响生命体。

生物在保留自身特殊性的同时,也会和非生物互相作用。我们想知道的是,它们之间的差异能否得以维持?作为生物理论支柱之一的进化论是否完全是物理学上的推论?如果是,那是不是量子物理学上的推论?

乍看之下,这似乎不可能。量子物理学的鼻祖是一位名叫尼尔斯·玻尔的丹麦人。

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1932年,他在一次题为“光和生命”的演讲中对此进行了更深层次的探究。他认为,我们不能通过探究活的生命体来理解生命,即使在原则上也做不到。用玻尔的话来说,“生命的存在必须被看作一个无法解释的基本事实”。虽然在玻尔看来,普朗克常数“在经典物理学的视角似乎是一种非理性的元素”。因此,生命体也必须被看作生物学中一个无法解释的起点。

玻尔的观点显然是悲观的,其他人对科学领域的统一有着更高的期望。他们乐观地认为,量子物理学用随机性解释微观层面上的单个原子和分子的行为,我们也可以用这种随机性来理解基因突变这一生物学上的概念——尽管“生物上的随机性”与“量子物理上的随机性”可能大相径庭。

一个显著的区别是,自然选择的进化原理在物理学上并没有与之对应的原理,处于不同状态的非生物并不是根据任何适应性的参数被选中的。

奥地利的物理学家路德维希·玻尔兹曼首次从微观视角来认识处于不同平衡状态的无机质,

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即一直处于稳定状态的非生物。在19世纪70年代,玻尔兹曼解释了热力学第二定律,即当一个系统处于孤立状态时,其混乱程度一直在上升。在他的逻辑中,物质的宏观状态仅仅是数量众多的微观状态的集合。想象一下掷两个骰子的情形。如果必须押一个具体的数字,那么应该选“7”。原因很简单:有6种不同的组合可以得出“7”这个数,任何其他数字的组合几率都相对小一些。同样,随机组合的微粒在集合过程中容易发生混乱,原因是让微粒处于混乱状态的方式在数量上要多于让其处于有序状态的方式。我们怎样才能将这一定律与生物系统联系起来呢?

玻尔兹曼也是在第二定律框架内探讨生命的第一人,他说:“生物为生存所做的斗争一般都不是为了争夺原材料,而是空气、水和土壤,这些物质都是大量存在的;它们争夺的也不是能量,因为能量以热量的形式大规模存在于任意生命体内。它们争夺的是(负)熵,是通过将来自炙热的太阳的能量传递给冰冷的地球而产生的。”

在玻尔兹曼看来,生命体一直都在尽力远离平衡,远离无生命的物质。为此,生物必须从环境中吸收能使熵降低的东西,从而减少其混乱程度。量子物理学的另一位先驱是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔。他强调,生物尽力将自由能最大化,而自由能就是做有用功所需的能量。

鸟类通过不停地拍打翅膀停在空中的某个位置。尽管它明显是动态的,但它最终仍处于一种静止的状态。

这可能是让我们难以捉摸的适应性参数吗?如果是,它必须重新表述适者生存的生物学原理。试试这个版本吧:我们越快达到一种远离平衡的状态,就越能适应周围环境。事实上,于1977年获得诺贝尔化学奖的伊利亚·普里高津已经预见了这种研究生物学的思维方式。

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他认为,大自然会选择那些将熵的总量最大化的适应性变化,以及能最快产生混乱的动力学。但是迄今,除了一些理论论据支持这种观点外,还没有什么实验证据能证明其正确性。这可能是由于任何精确的方式都难以测量熵的总量,但更可能的是,这一观点本身存在一些问题。

目前,正试图从物理学角度观察生物学的是以色列的物理学家阿迪·普罗斯。他表示,与无机物通过将熵最大化来使自己符合热力学定律一样,生命体也努力将它的“动力学稳定性”最大化。这与将熵的总量最大化并不相同,各种生物系统并不像无生命的物质那样必须遵循第二定律,并处于一种被动的平衡状态。它们能达到一种动态的稳定状态,为了维持这种状态,必须永不停止地运作。动态的稳定状态是脆弱的,需要不断重建才行。鸟类只有不停地拍打翅膀才能停在空中的某个位置。这需要小心地使身体保持平衡,尽管它明显是动态的,但它最终仍处于一种静止的状态。

如果普罗斯是正确的,那我们就有理由将进化生物学的主要特征简化为化学,从而获得将生物学同量子物理学联系在一起的可能性。这将是一个了不起的成就。然而,如同所有伟大的成就一样,它也存在许多问题。

开始时我们说过,将生物系统与非生物系统区分开来的是目的性。如果生物学能简化为量子物理学,而一些像原子、分子之类的典型量子物体并没有目的性,那么转换从何而来呢?实现动力学稳定性这一状态的“愿望”又是从哪儿来的呢?当然,这将我们带回了起点。普罗斯可能会说,在化学变得足够复杂时就会出现一种自然属性。但是,考虑到这种目的性是我们认识生命的最初方式,也许我们应该抵制那些会使我们轻易偏离这种目的性的结论。

我不会假装自己知道所有问题的答案。从另一方面来说,在那些跨多门学科的领域里,尤其是量子生物学,我乐观地认为我们迟早会有收获,目前需要的只是继续努力。如同生命体一样,这一点似乎会自然而然地来到我们身边。

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