薛定谔的设想：量子力学、统计物理与生物学

薛定谔的贡献

薛定谔的《生命是什么？——活细胞的物理学观》被称为生物学界的传世之作，微生物学的探索与发展揭开了新的篇章。薛定谔用物理的原理对生物学的研究展开了大胆而又合理的猜想，虽然这是一篇写给物理学的外行看的半科普的文章，但其所表达的深刻的物理内涵，不仅对生物学的开拓，而且对物理学的新的发展及物理学对物理学外的其它学科的涉猎与交叉提供了一个很好的样本。

用物理解释自然世界是物理学家长期的梦想，物理学家总是试图用抽象的物理原理去理解和概括纷繁的世界。物质是由原子构成的，自然的变化建立在原子的运动和相互作用之上，这为物理学家用物理原理解释自然界的复杂形式的运动提供了依据。

在《生命是什么？——活细胞的物理学观》一文中，薛定谔运用了量子力学和统计物理对生命的构成和运作进行了猜想。因此这篇文章与其说是关于生物研究的设想，不如说是提出了物理学研究的新思维。虽然其观点在现在的物理工作者看来有些平常，或是过时的和肤浅的。但薛定谔能在量子力学发展初期，在现代统计物理研究方式尚未形成的情况下提出如此大胆的设想，是十分惊人和伟大的。



量子力学与生物学

薛定谔在他的《生命是什么？——活细胞的物理学观》一文中提到了运用量子力学解释生物现象。在他的文章中，他将生物体的突变现象与量子力学中粒子在不同能量态的跃迁进行了类比。他指出：生物体基因的突变是一个非连续性的转变，当生物体受外界环境的变化，如温度的改变、X射线的诱发，其突变的概率大大增加。薛定谔认为这种现象同量子力学中粒子的能级跃迁是很相似的。粒子处在分立的各个能量状态，当粒子受激发后可以向其他能量态跃迁。因此基因作为大分子物质，其突变可能是粒子能量跃迁的宏观表现。

薛定谔这个类比是建立在基因突变的不连续性上的，因而较之量子态的不连续存在其假设的合理性。但这个假设并不是很完善，毕竟这种类比并没有得到科学而精准的证明。

首先，设想这个假设是符合客观事实的，那么粒子的能量跃迁是如何反映到基因的突变的呢？换言之，单个粒子的特性是如何反映到复杂的粒子体系上的呢？这并非一句统计性就可以解释的。对多体问题的困惑并非只是薛定谔时代的难题，在如今，物理学对复杂系统的研究深度仍然有限。这种相似性只能是作为一种研究方向的猜想，而并不能立刻作为事实被理所当然地接受。而且在外界环境的作用下，系统的复杂性进一步加深，使得研究的难度大大加深。

其次，薛定谔在文中提到，基因突变的各个状态没有优先性，各性状特征表象下的基因的突变概率是均等的。由于阈能的存在，基因不可能发生连续的和随意的突变，必须在一定的激发下（偶然的或由外界产生的），发生突变。因此，基因的突变过程在一定程度上说是不可逆的。然而，这种均等几率的突变性质是与量子态的跃迁存在差异的。粒子处在不同的能量态，然而各个能量态因能量的高低不同，稳定性是不同的。能量低的量子态比能量高的量子态更加稳定，因而各能量态的跃迁几率是不同的，它不可能具有基因突变的等概率性质。那么，若仍用量子力学的观点来看待基因突变的话，这种基因突变因该不是单个粒子能量跃迁的表现，而可能是多粒子耦合作用下量子耦合态之间等概率跃迁的表现。由于系统的复杂性，这里不考虑这种假设的可能性。

概言之，量子力学对生物学的解释是大胆而令人激动的，但它仍然需要依靠理论的完善和实验手段的丰富来检验。



统计物理与生物学

在《生命是什么？——活细胞的物理学观》一文中，薛定谔提到最多的不是生物学，不是量子力学，而是统计物理。的确，统计物理具有强大的实用性，可以用来解释众多复杂的现象。由于生物体是由许多粒子在相互的作用下构成的复杂体系，并且对生物体的性质的宏观的观测量是众多粒子的物理量的统计平均的结果。建立在各粒子的基于朴实的物理定律的运动下的复杂体系，其宏观的统计性质必然是符合现有的物理定理的。只是其复杂性掩盖了普遍的物理原理，使得物理学中抽象的简单模型无法解释生物体复杂的结构和机理。统计物理作为联系宏观与微观的桥梁，必然会对生物学的研究带来巨大的帮助。

第一，薛定谔介绍了古典的统计物理学对生物学问题的探讨。首先，有机体由大量原子构成，原子的数目越多，宏观统计的精确度就越高。大量的粒子是统计物理适用可能性的基础。薛定谔还引入了根号N律来描述粒子数与统计精确度的关系：“物理学和物理化学定律的不准确性在根号n分之一这一可能的相对误差之内。”其次，薛定谔描述了单个粒子运动的随机性和大量粒子平均下的宏观运动的确定性。如布朗运动和扩散作用。

第二，薛定谔提到了生物体系统的复杂性，生物体中的大量粒子存在相互作用，因而其性质不能用独立粒子系统的简单的微正则系综的统计性质来解释。并且，薛定谔也提到，生物体的粒子数虽然很大，但并不是宏观的极大数目，运用简单的宏观统计无法解释其性质。粒子在相互作用下，形成了复杂的有序结构。在这种有序性下，生物体才表现出许多复杂而特殊的生命特性。再者，生物体的内部结构并不是处在一个稳定的平衡状态下，它无时无刻不在与外界进行相互作用，其非平衡状态也增加了其复杂性。生物体这种复杂性超出了传统的统计物理所能解释的范围。然而随着现代统计物理的发展，物理学家对复杂系统的理解越来越深刻，使得生物学的研究也得到了发展。非线性动力学的发展，物理学家对非线性动力系统相空间结构与行为的理解愈加深刻，为复杂体的研究带来了新的契机，在此框架中我们可以理解生命过程的热力学起源。随机理论的发展，使得我们对生命运动中得到涨落问题的理解也得以进一步提高。

第三，薛定谔运用了熵的概念来解释生命的运作。薛定谔提到：生命体中“遗传物质的高度持久性同它的微小体积协调一致”，因而生命体的构成绝非是一个无序的结构，而是一个高度有序的结构。根据熵增原理，如不考虑涨落，孤立系统总是向总体的熵的增加方向转变。熵是系统的无序度的度量，熵的增加标志着系统趋向无序，上得减少预示着系统向有序的方向发展。就生命体而言，生命体总是向有序的方向发展，即向熵减的方向发展。因此，生命体本身必然不能是一个孤立的系统。薛定谔用熵的概念来解释新陈代谢，是非常精彩的。他指出，生命体与外界交换的本质不是物质，不是能量，而是熵。外界为生命体提供的负熵，使生命体保持其有序性，维持其活的状态。因此，当生命体处于孤立的状态下时，如缺少光、水、食物、空气，也会逐渐趋向无序，最终走向死亡。熵在解释生命现象方面具有很高的合理性，虽然它也仅是一种定性的猜想。

总之，统计物理对生物学的贡献是不可估量的，薛定谔的这篇文章为统计物理的新的发展方向提供了指导性的意见。