生命是什么

《生命是什么》作者是薛定谔是奥地利人，出生于1887年，毕业于著名的维也纳大学，我不知道书友们对奥地利的维也纳大学有没有了解。其实我们近代物理或者近代科学里相当多的学问都来自这所学校。

那么维也纳对于我们的自然科学影响大到什么程度呢？我提醒大家一句，我们大家都熟悉温度的说法，叫“摄氏度”。大家如果看看我们中文的表述，我们经常会说：在标准大气压下，水的冰点是0℃，沸点是100℃。但其实大家可能不知道什么叫标准大气压。有些中学老师会误以为标准大气压就是76厘米高水银柱，但是这是后来的说法，其实标准大气压就是维也纳夏天的气压。

大家可以想象一下，为什么会把维也纳夏天的气压定义为标准大气压，这就是因为人家这个城市和这所城市的大学对于我们自然科学的影响。

那么说到书，就是这本《生命是什么》，我们为什么推荐这本书呢？大家读书的时候可能会注意到，书其实是有不同层次的，一般专业人士会读自己专业内的书，这些书专业以外的人会很少听说，但是有些书实际上是超越了专业，是为整个社会所熟悉的。这样的一些书，我们会把它称为改变世界的书。

这一类影响世界的书有哪一些呢？除了今天我们要专门讲的薛定谔的这本《生命是什么》，其他的大家可能都听说过，比方说有一本书叫《自私的基因》，这也是非常好的书。还有一本影响了对农药的用法以及环境保护的著名的书叫《寂静的春天》。

受《生命是什么》这本书的影响——有一位年轻人受了这本书的影响，后来得了诺贝尔生理或医学奖。他也把他的主要研究成果写成了一本书叫《双螺旋》，这本书也是影响世界的书。

我提这四本书，是因为这几本书的性质都差不多，都是对我们的社会有相当大的影响，并且它是跨越专业的，像我们一般的受教育的人可能都要读的书。

1.薛定谔是谁？

我个人始终觉得，当我们要想深入地理解一本书的时候，很重要的一点，一定要理解这个作者。

薛定谔是我们，尤其是学物理的人绕不过去的一个伟大的人物。他在1922年做了一件了不起的事情，就是把他的一位朋友赫尔曼·外尔的一项工作里面的一个因子，就是前面乘的系数，变成了负数。

学过高中数学的书友可能都会知道，有一个数叫虚数，它的平方等于-1。

薛定谔就把这样的一个因子——虚数引入到了“外尔理论”的其中一个系数里面，就把这样的一个理论挽救了。

这就是后来改变了我们世界，也是我们学物理的人学起来都感到害怕的那个著名的理论“规范场论”，这是1922年。

薛定谔最为大家所称道的就是他被称为量子力学的奠基人。这个称号是怎么来的呢？他1925年底发展了叫作“波动力学”的一门学问。这个学问，薛定谔是1926年分四部分发表出来的，这就是我们量子力学的奠基性工作。所以每提到量子力学，我们总会提到薛定谔。

在我们日常生活里面，大家可能都会在很多语境里面遇到薛定谔这个人，那么薛定谔这个人就会和一只猫联系在一起，这是薛定谔1935年的一篇论文里提到的一个所谓的思想实验。

是什么呢？他说，就是想象有一个密闭的盒子，里面有放射性物质，有一把锤子、一小瓶毒药和一只猫。那么放射性事件如果发生的话会触发一个机关，让锤子砸碎这个玻璃瓶，那么玻璃瓶里的毒药就会被释放出来毒死那只猫。

因为放射性这个过程是微观的过程，是用量子力学描述的，是不确定的，那么这就造成了：我们在箱子外面，如果你要关切这只猫的命运的话，你会发现你对它的状态是不确定的，你不知道这只猫到底是死了还是活了。

但是薛定谔的本意实际上是想说，通过这样的一系列从微观到猫这样的宏观层次的过程，所谓微观的不确定性，实际上是可以用它宏观产生的效果加以标定、加以指示的。

那么这样的一个工作，薛定谔是用它来干嘛的呢？他给我们阐述了：量子力学里面的不确定性和我们日常生活里面的许多情形——你把握不住的那种不确定性之间的根本区别。

其实薛定谔给了我们一个非常好的比喻，这个比喻，所有拿起手机照过相的朋友都理解这个道理。

他说量子力学的不确定性相当于什么呢？相当于本质的不确定性。那种模糊，就像你去拍黄山云海，它那个图片背景本身就是云山雾罩的，就是不清晰。

那么经典的不清晰类似于什么呢？类似于我们有些人不会照相，人家那个景色是非常清晰的，结果你那照相机没聚焦，你的照片也是那种云山雾罩的、模糊的。

所以说薛定谔就想用这样的一个比喻来告诉我们大家，量子力学的不确定性和我们经典的或者说我们宏观层面上的不确定性之间的区别。但是结果老是被别人误解了，许多人，包括物理学家都关注他那只猫去了。

那么我们回到薛定谔的这一本著名的书《生命是什么》，《生命是什么》是薛定谔1943年在都柏林三一学院做的一系列所谓的科普学讲座。

在英国，包括爱尔兰，19世纪到 20世纪这一段时间里面，他们有一个非常重要的传统，就是由著名科学家向社会做科学报告。这里面最有名的就是当年法拉第在英国皇家学会的那个圣诞节的科学演讲。

薛定谔在1943年这个时期，当时以生物学的进展已经确定了遗传规律以及遗传物质是基因，薛定谔这个时候以一个物理学家——尤其是他是个理论物理学家，而且1933年就因建立量子力学获得了诺贝尔奖——他以一个理论物理学家的角度，来给公众谈他关于生命是什么的思考。这样的一个思考，来源于薛定谔本人对相关知识的把握。

这本书有个副标题，叫“物理观点下的活细胞”，就是说他从一个物理学的观点考察：到底是什么样的一个道理，或者说要满足什么样的要求，一个足够大小的原子团簇会有生命的特征？

这其实是一个我们人类努力想回答的一个问题。这样的问题，不管是在从前的1943年，还是在今天的2021年，其实我们对这个问题，到目前为止还没有一个确切的回答，所以薛定谔在书的一开始就会谦虚地说，我是一个物理学家，我对于生物学不是太精通。

其实他比我们精通得多，而且这本书是深刻地影响了后来生命科学的研究进程的，但是这不妨碍他谦虚。

他说，我对生命科学没有太多的理解。所以说我这样的一个讲座仅仅是从一个理论物理学家的角度，来给大家分享我关于这些问题的观点。用我们中国话说，就是“我姑妄说之，你们姑妄听之”。

2.物理学如何解读生命？

薛定谔在书里面先给我们指出了一个了不起的概念。

我们大家都知道，生命具有遗传特征，我们今天的形象和几千年、几万年前我们的老祖宗的形象有一些差别，但是你会发现，好像更多的还是相似的。

这样的一个生命特征能够一代一代遗传下来，到底是为什么？

或者说，如果我们仔细想象一下，我们这样的有生命的个体和外面那些无生命的物质，比方说沙子、石头，我们和它之间的区别到底是什么？

那么薛定谔就会想到，我们的这些生命，生命里的遗传物质应该有一个最基本的特征。

这个特征是什么呢？就是说它要能够携带信息，它的结构应该能够抗得住它内部原子运动造成的无序。所以说薛定谔几乎是开篇不久就提出了一个石破天惊的词，这个词叫aperiodic（非周期的）。

大家都知道，说一个事情是周期性的叫 periodic,薛定谔这地方是用了这个词，前面加上一个a（aperiodic），它是一个西文的否定词。如果你要光看字面，你可以把它翻译成“非周期的”。

其实这地方强调的是那种和我们学固体物理学、材料学的对沙子、水晶、金刚石这里面原子的排列，那种像我们阅兵方阵里面战士排列的严格有序，这是不一样的一种有序。所以说前面加了一个修饰词，aperiodic（非周期的）。

他说这样的一个结构，本身具有什么特点呢？它既具有进行编码的能力，因为它要有编码才能显出足够多的信息。

另外一点，它的结构又应该使得它具有足够的——薛定谔用了几个不同的词——可持续性、永久性、刚性、固体性等等，其实都是一个意思，就是说它能够抗得住这个外界的影响，能够一定程度上保持不变。

他认为生命的遗传物质里一定应该有这样一个结构，他管它叫非周期结构，现在我们会把它翻译成“准周期结构”，或者叫“准晶”。

我接着往下讲，大家就可以明白薛定谔这人到底有多伟大。

他1943年提出这样的一个结构，这个结构随着这本书在1944年出版发行。因为薛定谔本身的名气，所以说一般的科学家大概都会读过这本书。

那么读过这本书的人里面有谁呢？有个叫沃森的生物学家。这个生物学家后来用X射线研究人类的遗传物质，发现了我们的基因里面是双螺旋结构，因此获得了1962年度的诺贝尔生理或医学奖。

如果说仅仅产生了这个影响，那你可小看了他这个概念的重要性了。

我们再回头看薛定谔有多伟大，他当年（1943年）在这本书《生命是什么》里说这个非周期结构或叫准周期结构，如果我们一般人读书不仔细的话，仅仅是从汉语的角度去理解的话，我们会认为准周期（或者非周期）是比周期性结构差一点或低一个档次的这样的一种有序性。

但是不对，仔细读读薛定谔的这本《生命是什么》，薛定谔认为准周期结构——我们生命里面传递遗传信息的那种准周期结构，应该是比周期性结构更高层面的东西。

这个是非常有趣的，这是薛定谔当年瞎猜的一个观点。那么这个观点对不对呢？

后来，当我们人类在80年代发现了准周期的晶体（准晶）以后，在全世界引起了关于准周期结构的物理、材料和数学研究。

没多久，法国人就给我们证明了，所有的准周期结构里的那些特殊的准周期结构（准晶），一个N维空间里的准晶，一定是2N维空间里面晶体在N维空间里的投影。

这话有点绕，但是请大家记住一条就行了：人家薛定谔真高！当年人家说的是对的，准周期结构比周期结构更高层次的一种有序。

这就是为什么读书，读薛定谔，你会越读越佩服。

而且薛定谔在《生命是什么》这本书里面也一再提醒说：我们的可见光，就是我们人眼能看的光。大家知道它的波长应该是在390纳米到800纳米左右，780纳米左右的，这就是红光了。

这样的红光，我们人眼能看见的光，恰恰应该是一般空气里面那些颗粒的光，也是所有生命的那些遗传物质可能的大小。

所以说他认为，如果要想获得关于遗传物质最深层的结构，那么应该使用波长更小的X射线衍射技术。

这样的一句话，你会发现，他提到这句话的时候，也许仅仅是给大家介绍一门知识，一个知识点。但是这句话影响了一个人，这个人就是刚才我们提到的沃森。

所以沃森后来在很年轻的时候，大学毕业就坚决地做这样一件事情，用X射线去研究我们的生命体的遗传物质结构。

我们大家都知道，因为遗传物质不是周期结构，另外一点就是我们生命的构造主要是碳、氢、氧、氮这些元素，所以说它们对X射线的散射能力很差的。

大家如果有这样物理感觉的话，就知道人家选择用X射线来研究我们遗传物质的结构，选择这条路实际上是很艰难的。

但是，这个年轻人受到了这样的一本书里面，那样的一句话，一句高人的提点，就让人家选定了未来要努力的方向。

以前读到这的时候都是特别感慨，为什么说我们的年轻人，尤其是高中、大学和研究生阶段的年轻人一定要去读好书，读名家的书的道理，因为你不知道那里面的哪一句话可能就拨动你的心弦，就能够确定你一生的道路。

那么，这样的一个工作——刚才说了是我们关于准周期晶体（准晶）的发现，准周期结构的研究，使得我们大家更加认识了薛定谔的伟大。

薛定谔这样一个准周期概念带给我们人类最大的一个影响，就是在1993年，科学界把“什么是晶体”的概念给改了。

从前晶体的概念就是原子在空间的排列是严格的有序，就像我们阅兵的时候，天安门广场走过的我们的解放军战士那样的排列方式，假设你把每一个战士设想成一个原子，那么那样排列的固体物质就叫晶体。

可是后来我们又有准晶了，准晶就没有这样的一个有序排列，就不是我们阅兵队伍那样，一目了然的那种“平移对称性”的有序。

最后，我们的科学界在1993年彻底把晶体这个概念给改了。

什么叫晶体呢？请大家记住，现在晶体的概念是，如果这个物质，你用X射线照射，照射出来的X射线的花样是斑点状的，这样的物质就叫晶体。

你看，这就是薛定谔这本书给我们带来的影响之一。我再讲这本书的其他影响。你看薛定谔从物理的角度思考什么是生命。

3.原子为什么这么小？

薛定谔这个人在这样的一本书里用到的知识包括统计力学、热力学以及量子力学。所以说薛定谔继承了非常深厚的统计物理的知识。如果大家量子力学好的话也应该明白，量子力学本身也应该是具有统计性质的一门学科，我就不给大家细讲了。

这地方我会强调什么呢？薛定谔从统计的角度先给我们考虑一个重要的问题，叫原子为什么那么小。

我们知道原子是从古希腊那个时候就过来的一个概念。大家看看，当我们抓一把干的土，你会发现这个土块会变得小。你一直往下研磨的话，它就一直变小。可是这个变小总有个头，到有一个头，那些物质再也不能改变了，原子这个词本身的希腊语意思就是不能切，再也切不碎了。

那么他注意到，我们的遗传物质的大小差不多在30纳米，30纳米还是由很多原子组成的，所以他就问原子为什么那么小。

对于我来说，我本人读物理的本科、博士，后来当教授去教学生原子物理，我知道原子很小，但我从来没去想原子为什么那么小，直到我读了薛定谔的这本《生命是什么》，我才看到了一个大物理学家的理解，才解了我心中的疑惑。

因为薛定谔说的是，这个问题问错了——原子为什么这么小，这个问题问错了。

为什么呢？是因为原子构成了物质，我们人类或者说别的生命，它是一个具有很多不同结构的复杂的物质体系，一大堆原子凑在一起，构成一个小的单元或者一个机体，这一团原子要想不受外部环境的影响，当然是不可能的。

所以说受外部环境的影响，同时又要不让外部环境的影响去左右你，唯一的要求就是你要足够大，使得外部的、偶尔的一些其他原子或原子团簇对你的撞击、对你的轰击，你能感觉到，但是它对你来说不重要。这样的话，它不会对你带来根本性的影响。

那么一个生命，最重要的特征就是，做到他自己有存活的意识，做到能够不受到环境里面的风吹草动就彻底解体，或者说是因为环境的一点点影响就改变了自己的刚性、固体性。也就是说这个生命别两代遗传，就样子都忘了，受环境影响了。

这就要求什么呢？这就要求构成生命的这个物质，构成生命的这一个原子团簇，里面原子的数要足够大，所以，到我们人类这个尺度的生命就可以抵御来自一般意义上的原子的热振动、原子的撞击或者来自太阳的在可见光范围内光的照射等等。

那么，要想能够抗拒这些各种各样的来自外部的骚扰，我们的生命体就要有足够多的原子。

所以说，从我们人类的角度来看，原子是小的。所以这个地方不是大和小的问题，是一个原子多和少的问题，这才是正确的问题。

读到这里的时候对我的冲击非常大，因为我本人是受科学训练的，现在也是假装当科学家在混饭吃，这地方有个很重要一点，就是我们会这么说，解答一个问题是一个层面的水平，比解答问题更高层面的能力，是把一个问题表述对，比把问题表述对更高层面的一个科学家的水平，是他能问出一个正确的问题。

所以大家就注意到了这一点，就是薛定谔在这样一本书里面，会处处表现出他比我们一般的科学家要高明的地方。

薛定谔说，我们的遗传的物质要有足够的刚性，要能够抗得住外面的一般的影响，所以说我们遗传的变异应该是缓慢的，可是大自然里面还有一些猛烈的东西，比方说X射线，比方说来自宇宙的一些高能粒子。

那么X射线的能量大概是多少呢？我提醒大家记住，我们常见的可见光的一个光子的能量，差不多是1.5到3.5电子伏特，红光是1.5电子伏特，对于我们人类来说，我们可以愉快地接受。

那么当这个光子能量超过3电子伏特的时候，它基本上就能够把我们皮肤里面的化学键——碳、氢、氧、氮这些原子化学键打破了，打破就会产生一个强烈的电信号，火辣辣的，你就会觉得疼。

所以请大家记住，到紫外线的时候，我们生命就已经绷不住了，它是能够给你打坏的。

但是大自然里面还有一些比它更强的光。X射线的光子能量是多少呢？一般来说光子能量超过20电子伏特的就叫软X射线。

在日常生活里，比方说到医院做胸透，你遇到的X射线应该在1400电子伏特，有的是1600电子伏特，1400电子伏特左右的光就比可见光的光子能量大得多，也极具破坏性。

我们地球上的光的主要来源是太阳光，而太阳它辐射的光，波长慢慢变短的时候，它的功率是越来越强的，强到600纳米左右的时候黄光这个部分是最强的。所以这就是为什么太阳看起来是黄的原因。从600纳米左右往下再变，它的功率在减少，等到波长到400纳米的时候就进入紫外光，这一个光就足以破坏我们皮肤里面的化学键了。

你注意到太阳光从400纳米开始就可以破坏我们的生命分子，太阳光短到320纳米的时候突然就没了，往下没了，这一点也是我们地球上非常神奇妙的一点，也是一个回答地球上为什么会出现生命必须要回答的一个问题。

大自然就那么神奇，老天就那么神奇，或者反过来说，就是地球这个条件才使得生命能够出现。如果我们太阳光谱是一个黑体，就是说325纳米往下还有光的话，那我们这种由碳、氢、氧、氮构成的生命根本就坚持不住，就能全都给你打废了。

薛定谔在1943年这时候竟然就能指出，X射线的照射可能是我们一些生物变异的主要原因。

当然，我们后来会发现这个观点是对的。

最后，薛定谔用这一个统计力学的观点，给我们提出了一个重要的问题，就是我们考察一个生命最重要的一点，是什么？是活下去，存在下去。

4.生命如何延续？

所以薛定谔在这个地方又给我们谈了一个问题，就是生命从物理的角度来说，到底该怎么活下去，怎么存在下去。

相对于外面的这个受热的、无规则的原子运动来说，什么叫生命活下去呢？生命活下去就是要你保持有序，保持你生命的功能，也就是说你要抗拒。组成我们生命的是一大堆原子，生命的本领，或者说生命能够活下去的过程，就是抗拒这些原子变得“无政府主义”，变得完全无规则，到处乱动。

那么，从物理的角度，怎么才能够做到这一点？薛定谔就提到了“熵”的概念。

这个地方他用了一个非常误导的，受到了物理学家批评的一个用法——他用了“负熵”的概念。

其实许多人可能误解了，熵这个物理学的概念本身是一个广延量，也就是说一堆气体有那么多熵，两堆同样的气体，那么熵就是两倍，这样的量叫广延量。

熵的值只能够是从零到正无穷大，它是个正数。但是薛定谔反过来用，他说，如果你要是强调无序，那你就用熵这个概念；如果你要强调有序，你就用负熵这个概念。

所以他说，生命要想存活下去，重要的是什么呢？重要的一点就是——特别大白话——所有的生命如果产生了以后，如果不理不问的话，他肯定是慢慢地衰减、衰变。

这个生命体要想作为一个生命体存在下去，你要努力保持它的有序，就要摄入负熵。其实说大白话就是一句话，就是你要吃，生命要想存活下去就要吃。

吃进这个物质以后，我们的生命怎么用你吃进来的物质，继续构建一个和你原来差不多的这样一个结构，让你的生命保持有序，还和原来差不多，那么这里的奥妙我们目前还是不清楚的。

但是不管我们清楚不清楚，这里有一个道理是不能忘的，就是生命体要想保持生命的继续存在，关键一条是吃！

当然这个吃，如果从物理学家的理解来看的话，第一条就是在某些书里面经常会讲的，我要摄取能量。

其实能量仅仅是一个层次，因为你摄取能量并不见得是让你这个身体保持有序的，是不是？你要摄取能量，而且这个能量还是要保证你这个结构有序的。

也就是说，我们谈论我们的生命怎么持续下去的话，一定要在两个层面上考虑问题，一个叫摄取能量，第二是要保持熵的增加不大，一定要是这两个层面的。

当然了，如果我们再严肃认真的话，你会发现其实还不对，因为不管是能量还是熵，它毕竟是有物质携带的一个物理量。所以说正确的表达，回到我们最通俗的日常生活里的表达，其实还是说：第一要吃，第二要吃正确的食物，这一点才是重要的。

所以说如果读懂这样的一本书《生命是什么》，我相信对于我们各位理解生命，甚至对于某些像我这样的胖子如何减肥可能都非常重要，请大家一定不要因为肥胖，你就通过不吃的方式减肥，不行，生命维持自己结构延续下去的最根本的一条就是吃——吃正确的物质。

那么在这个地方，从热力学的角度，从熵转化的角度，薛定谔也还会告诉我们大家，还有非常重要的一点，就是这样的一个生命过程中，这个摄取能量也摄取物质的过程中，它一定是一个熵增加的过程，多余的熵更多的是排出去的，这个不仅仅是一般动物的排泄物，那是一个方面，其实最重要的一点实际上是散热。

薛定谔在书里面只是偶尔提一下，那么作为热力学老师我会很明白，请大家一定要记住，我们所有的生命体，维持生命过程的一个重要的点，要注意的就是要散热。

这就是为什么中国的古老智慧里面就有这样一句话，尤其是带小孩的书友们一定要注意，说宁愿让孩子冻着，不能让孩子热着。冻着好办，如果热了那就麻烦了。

关于薛定谔的这样的书，我大概就给大家介绍这几点了。那么关于薛定谔的《生命是什么》，对于我们自身生命的理解是非常重要的，也是后来影响了整个生命科学的发展走向的。

5.薛定谔对物理学的影响

那么薛定谔对于物理学的影响当然就更大了。

我再给大家举一个简单例子，比方说让薛定谔1926年成名的这个量子力学。我们都知道量子力学，但是到底人家凭什么成名的呢？

就在于薛定谔1925年底写出的这个方程，这个方程用来解氢原子。我们大家知道元素周期表第一个元素是氢，氢原子中间是一个正电荷，外面有一个带负电荷的电子绕着它乱跑，就这么一个简单的东西。

可是薛定谔这个方程出来以后，我们用它来解释氢原子里面那个电子到底有多少能量，这个结果竟然是什么呢？结果它的能量应该是四个整数，第四位是半整数的函数，这四个整数和半整数的排列方式竟然就能够决定我们的元素周期表该长什么样子。

现在很多家长肯定都会见过，可能也都会给自己的孩子买各种各样的元素周期表，我请大家记住，有空你去看看薛定谔方程怎么用来解氢原子的问题，因为看懂这个，你就知道元素周期表为什么长那个样了。

这是薛定谔给我们带来的对我们这个社会的影响。那么薛定谔的方程对我们社会还有一个了不起的影响，也是影响到我们今天每一个人生活的地方，是什么呢？就是它的这个方程，当我们把它用到晶体上面的时候（这是上世纪40年代、50年代的事情），我们竟然有一天突然明白了什么叫导体，什么叫绝缘体。

从前我们知道，铜、铁、铝是导体，我们知道石子、沙子、金刚石这些东西是绝缘体，那个时候我们就叫导体和绝缘体。

可是有了薛定谔这个方程，在上世纪 40年代、50年代的时候，我们明白了什么物质是导体，什么物质是绝缘体的时候，我们突然引出了一个新概念叫“半导体”。有了半导体就有了半导体的工程，才有了今天我们这个基于半导体的信息时代。

当然这个信息时代，我们不光是用信息。大家记住，薛定谔这本书都在谈生命怎么遗传信息，你看我们今天处于一个遗传信息时代；薛定谔这本书里也谈到热的问题，你会发现我们的半导体也会帮我们处理热的问题，处理光的问题。

当我们把这个半导体做得不那么好的时候，这个半导体放在太阳下晒，就能够把太阳光接收，变成热，使得在今天的中国，哪怕是我们生活在乡下农村，我们一样可以用太阳能洗澡，这都极大地提升了我们的生活品质。

而这些生活品质的提升，我们要感激那些为我们思考自然奥秘的那些人，其中最重要的就是这样的一位来自奥地利的，生活于上世纪1879年到1961年的伟大的学者、伟大的物理学家，让我们记住他的名字——埃尔温·薛定谔。