第一卷 第三章 物理學(xué)與其它科學(xué)的關(guān)系
理查德·費(fèi)曼
§3-1 引 言
物理學(xué)是最基本的、包羅萬象的一門學(xué)科，它對(duì)整個(gè)科學(xué)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。事實(shí)上，物理學(xué)是與過去所謂的“自然哲學(xué)”相當(dāng)?shù)默F(xiàn)代名稱，現(xiàn)代科學(xué)大多數(shù)就是從自然哲學(xué)中產(chǎn)生的。許多領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)生都發(fā)現(xiàn)自己正在學(xué)習(xí)物理學(xué)，這是因?yàn)樗谒械默F(xiàn)象中起著基本的作用。在本章中我們?cè)噲D說明其他科學(xué)中的基本問題是什么，當(dāng)然，在這么一點(diǎn)篇幅內(nèi)要真正地處理這些壩域中的復(fù)雜、精致而美妙的事情是不可能的。正因?yàn)槠^少，使我們不能討論物理學(xué)與工程、工業(yè)、社會(huì)和戰(zhàn)爭之間的關(guān)系，甚至不能討論數(shù)學(xué)與物理之間的最令人注目的關(guān)系。（按照我們的觀點(diǎn)，從數(shù)學(xué)不是一門自然科學(xué)這個(gè)意義上來說，它不是一門科學(xué)，它的正確性不是用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)的。）順便提一下，我們必須從一開始就說清楚：如果一件事情不是科學(xué)，這并不一定不好。例如，愛好就不是科學(xué)。所以，如果說某件事不是科學(xué)，這并不意味著其中有什么錯(cuò)誤的地方；這只是意味看它不是科學(xué)而已。
§3-2 化 學(xué)
也許受物理學(xué)影響最深的科學(xué)就是化學(xué)了。在歷史上，早期的化學(xué)幾乎完全討論那些現(xiàn)在稱為無機(jī)化學(xué)的內(nèi)容，即討論那些與生命體不發(fā)生聯(lián)系的物質(zhì)。人們?cè)?jīng)進(jìn)行了大量的分析才發(fā)現(xiàn)許多元素的存在以及它們之間的關(guān)系——即它們是怎樣組成在礦石、土壤里所發(fā)現(xiàn)的簡單化合物的，等等。早期的化學(xué)對(duì)于物理學(xué)是很重要的。這兩門科學(xué)間的相互影響非常大，因?yàn)樵拥睦碚撛诤艽蟪潭壬鲜怯苫瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)來證實(shí)的?；瘜W(xué)的理論，即化學(xué)反應(yīng)本身的理論，在很大程度上總結(jié)在門捷列夫周期表里，周期表體現(xiàn)了各種元素之間的許多奇特的聯(lián)系，它匯總了有關(guān)的規(guī)則：哪一種物質(zhì)可以與哪一種物質(zhì)化合，怎樣化合，等等，這些就組成了無機(jī)化學(xué)。原則上，所有這些規(guī)則最終可以從量子力學(xué)得到解釋，所以理論化學(xué)實(shí)際就是物理。但是，必須強(qiáng)調(diào)的是，這種解釋只是原則上的。我們已經(jīng)討論過了解下棋規(guī)則與擅長下棋之問的差別。也就是說，我們可能知道有關(guān)的規(guī)則，但是下得不很好。我們知道，精確地預(yù)言某個(gè)化學(xué)反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)什么情況是十分困難的；然而，理論化學(xué)的最深刻部分必定會(huì)歸結(jié)到量子力學(xué)。
還有一門由物理學(xué)與化學(xué)共同發(fā)展起來的極其重要的分支，這就是把統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法應(yīng)用于力學(xué)定律起作用的場臺(tái)，這被恰當(dāng)?shù)胤Q之為統(tǒng)計(jì)力學(xué)。在任何化學(xué)狀態(tài)中都要涉及大量的原子，我們已經(jīng)看到原子總是以復(fù)雜而毫無規(guī)則的方式不停地晃動(dòng)。假如我們能夠分析每一次碰撞，并且跟蹤每一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的話，就能判斷出將會(huì)發(fā)生一些什么，但是要記錄所有這些分子就需要許許多多數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任何計(jì)算機(jī)的容量，當(dāng)然也一定超過人腦的容量，所以為了處理這樣復(fù)雜的情況，重要的是要采取一種有效的方法。統(tǒng)計(jì)力學(xué)就是關(guān)于熱現(xiàn)象或熱力學(xué)的理論。作為一門科學(xué)，無機(jī)化學(xué)現(xiàn)在基本上已歸結(jié)為所謂物理化學(xué)和量子化學(xué)；物理化學(xué)研究反應(yīng)率和所發(fā)生的詳細(xì)變化（分子間如何碰撞？哪一些分子先飛離？等等），而量子化學(xué)則幫助我們根據(jù)物理定律來理解所發(fā)生的事。
化學(xué)的另一個(gè)分支是有機(jī)化學(xué)，它研究與生命體有關(guān)的物質(zhì)。人們?cè)欢认嘈排c生命有關(guān)的物質(zhì)是如此神秘，因此不可能用我們的手從無機(jī)村料中制造出這種物質(zhì)。這根本不對(duì)——它們與無機(jī)化學(xué)中制成的物質(zhì)完全一樣，只是包括了更復(fù)雜的原子排列。很明顯，有機(jī)化學(xué)與提供有機(jī)物質(zhì)的生物學(xué)之間有十分密切的關(guān)系，與工業(yè)也有密切的聯(lián)系，而且許多物理化學(xué)和量子化學(xué)的定律不僅適用于無機(jī)化合物的情況，而且也適用于有機(jī)化合物。然而，育機(jī)化學(xué)的主要任務(wù)并不在于這些方面，而是在于分析、綜合那些在生物系統(tǒng)以及在生命體中所形成的物質(zhì)。這樣就不知不覺地逐步引向了生物化學(xué)，然后是生物學(xué)本身，或分子生物學(xué)。
§3-3 生物學(xué)
我們就這樣進(jìn)入了生物學(xué)，它研究的是生命體。在生物學(xué)發(fā)展的早期，生物學(xué)家必須進(jìn)行單純的說明性工作——找出有哪生物，所以他們要數(shù)數(shù)跳蚤足上的細(xì)毛之類的東西。當(dāng)他們以很大的興趣完成這種工作后，就進(jìn)面考慮在生命體內(nèi)部的機(jī)制問題。起先自然是從十分粗略的觀點(diǎn)出發(fā)的，因?yàn)橐栏敿?xì)的情況是需要經(jīng)過一番努力的。
在物理學(xué)與生物學(xué)的早期關(guān)系中有過一件很有趣的事，生物學(xué)曾經(jīng)幫助物理學(xué)發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律，梅耶（Mayer）最先在關(guān)于生物吸收和放出的熱量問題上證實(shí)了這條定律。
假如我們更仔細(xì)地觀察動(dòng)物的生物學(xué)過程，就會(huì)看到許多物理現(xiàn)象：血液的循環(huán)、心的跳動(dòng)、血壓等等。這里還有神經(jīng)。如果我們踩在一塊尖銳的巖石上，就會(huì)知道發(fā)生了什么事情，這個(gè)信息不知怎么地就從我們的腳底傳遞上來。有趣的是這個(gè)信息是怎樣傳遞的。在研究神經(jīng)時(shí)，生物學(xué)家得到了這樣的結(jié)論：神經(jīng)是非常精細(xì)的小管道，有十分薄而復(fù)雜的管壁；細(xì)胞通過這樣的管壁吸進(jìn)離子，所以在外面有正離子，而在里面則有負(fù)離子，就像一個(gè)電容器一樣。這層薄膜還有一個(gè)有趣的性質(zhì)：如果它在某個(gè)地方“放電”，即一些離子能夠通過這個(gè)地方，那么該處的電壓就減少，它會(huì)影響到鄰近地方的離子，而這又會(huì)影響那里的薄膜，使它也讓離子通過，接著這又要影響更遠(yuǎn)的薄膜，等等，于是在薄膜中就出現(xiàn)一列“穿透性變動(dòng)”波，當(dāng)神經(jīng)末梢的一端由于碰到尖銳的巖石而受到“刺激”后，這種波就沿著神經(jīng)傳開來。它有點(diǎn)像一長列垂直放置的多米諾骨牌；如果末端的一個(gè)被推倒，鄰近的一個(gè)也就被它帶動(dòng)，等等。當(dāng)然，除非把多米諾牌再重新排好，不然，這時(shí)只有一個(gè)信息傳遞過去；類似地，在神經(jīng)元里，也有排出離子的緩慢過程，使神經(jīng)又處于準(zhǔn)備接收下一個(gè)脈沖的狀態(tài)。這就是為什么我們會(huì)知道正在做什么（或者至少知道我們?cè)谀睦铮?。?dāng)然我們可以用電子儀器測(cè)出這種與神經(jīng)沖動(dòng)有關(guān)的電的效應(yīng)，因?yàn)檫@里存在著電的作用，十分明顯，電效應(yīng)的物理知識(shí)對(duì)理解這個(gè)現(xiàn)象很起作用。
相反的效應(yīng)是從大腦中某個(gè)地方沿著神經(jīng)發(fā)生一個(gè)信息。這時(shí)在神經(jīng)的末梢會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？神經(jīng)在末梢處分成了細(xì)微的小纖維，這些小纖維與肌肉附近的一種稱為端板的結(jié)構(gòu)相連接。由于一些現(xiàn)在還不完全理解的原因，當(dāng)脈沖信號(hào)抵達(dá)神經(jīng)末梢后，射出一小團(tuán)一小團(tuán)稱為乙酰膽堿的化學(xué)物質(zhì)（每次約5+到10個(gè)分子），它們影響了肌肉纖維而使其收縮——這一切多么簡單！什么東西使肌肉會(huì)發(fā)生收縮呢？肌肉是由極多的彼此緊貼的纖維所組成的，它含有兩種不同的物質(zhì)：肌球蛋白和肌動(dòng)球蛋白，但是由乙酰膽堿所引起的那種改變，分子大小的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制現(xiàn)在還不清楚。這樣在肌肉中引起機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本過程也未為我們所知。
生物學(xué)的領(lǐng)域是如此廣泛，有許多問題我們根本無法敘述，比如視覺是如何產(chǎn)生的（即光在眼睛里做什么），聽覺是如何產(chǎn)生的，等等。（思維是如何進(jìn)行的這一個(gè)問題將存后面心理學(xué)中討論。）但是從生物學(xué)的觀點(diǎn)來說，我們剛才所討論的這些關(guān)于生物學(xué)的事情實(shí)在并不是基本的，并且不是生命的根源——即使我們理解了它們，仍然不能理解生命本身。舉一個(gè)例子：研究神經(jīng)的人感到他們的工作是很重要的，因?yàn)闊o論如何不存在沒有神經(jīng)的動(dòng)物，但是沒有神經(jīng)仍然可以有生命。植物既無神經(jīng)也無肌肉，但是它們照樣活動(dòng)著，照樣生存著。所以我們對(duì)于生物學(xué)的基本問題必須更仔細(xì)地研究一下；如果我們這樣做，就會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的生命體中存在著許多共同的特征。最普遍的特征是它們都由細(xì)胞組成，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)都有起化學(xué)作用的復(fù)雜機(jī)制。例如，在植物細(xì)胞中就存在著接收光線而產(chǎn)生蔗糖的機(jī)構(gòu)，植物在夜間消耗蔗糖以維持其生存。當(dāng)動(dòng)物攝取植物后蔗糖在動(dòng)物體內(nèi)就產(chǎn)生了一系列化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)與植物體內(nèi)的光合作用（以及在夜間的相反作用）有很密切的關(guān)系。
在生命系統(tǒng)的細(xì)胞里有許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，在反直中一種化合物變成另一種化合物，然后再變成一種化合物。為了對(duì)生物化學(xué)研究中所付出的巨大的努力有某種印象，我們?cè)趫D3-1中總結(jié)了到此刻為止所知道的在細(xì)胞中出現(xiàn)的反應(yīng)，這些反應(yīng)只是所有反應(yīng)中的很小一部分，大約只占1％左右。
這里我們可以看到整整一系列分子，它們?cè)谝贿B串相當(dāng)小的步驟組成的循環(huán)中從一個(gè)變到另一個(gè)。這個(gè)循環(huán)稱為克萊布斯（Krebs）循環(huán)或呼吸循環(huán)。如果從分子發(fā)生的變化來說，每一種化合物和每一步反應(yīng)都是相當(dāng)簡單的，但是——這是生物化學(xué)中非常重要的發(fā)現(xiàn)——這些變化在實(shí)驗(yàn)室里比較難以完成。假如我們有一種物質(zhì)，還有另一種十分類似的物質(zhì)，那么前一種物質(zhì)并不就轉(zhuǎn)變成后一種物質(zhì)，因?yàn)檫@兩種形式通常由一個(gè)能量屏障或“勢(shì)壘”隔開?？紤]這樣一個(gè)類似的情況：如果我們要把一個(gè)物體從一個(gè)地方拿到另一個(gè)地方，而這兩個(gè)地方處在相同的水平高度，但是分別在一座小山的兩邊，那么我們可以把物體推過山頂，但是要做到這一點(diǎn)需要一些附加的能量。由于這種原因，大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橛幸环N所謂的活化能妨礙這一反應(yīng)的進(jìn)行。為了在一種化合物中增加一個(gè)額外的原子，就要使這個(gè)原子靠得足夠緊，以便能出現(xiàn)某種重新排列；這樣它就結(jié)合到那個(gè)化合物上去了。但是如果我們不能給它足夠的能量使之靠得足夠地近，它就不會(huì)越過勢(shì)壘。只是上去了一部分路程后又倒退回。．然而，假如我們真的能把分子拿在手中，把其中的原子推來推去使它出現(xiàn)一個(gè)缺口，讓新原子進(jìn)入，然后又使缺口一下子合攏，我們就找到了另一個(gè)辦法，即繞過勢(shì)壘，這不需要額外的能量，因此反應(yīng)就較容易進(jìn)行?，F(xiàn)在，在細(xì)胞里確實(shí)存在著一些很大的分子，比起我們對(duì)其變化剛描寫過的分子要大得多，它們以某種復(fù)雜的方式使較小的分子具有恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，從而使反應(yīng)易于發(fā)生。這些很大的、復(fù)雜的分子稱為酶。（它們起先被叫作酵素，因?yàn)樵瓉硎窃谔前l(fā)酵時(shí)發(fā)現(xiàn)的。事實(shí)上克萊布斯循環(huán)的某些反應(yīng)最初就是在發(fā)酵中發(fā)現(xiàn)的。）由于有酶存在，反應(yīng)就會(huì)進(jìn)行。
酶是由另一種稱為蛋白質(zhì)的物質(zhì)制成的。酶是非常大而復(fù)雜的，每一種酶都不同，并且都控制著一定的特殊反應(yīng)。圖3-1中每個(gè)反應(yīng)中都寫上了酶的名稱。（有時(shí)同一種酶可以控制兩種反應(yīng)。）我們要強(qiáng)指出：酶本身并不直接參與反應(yīng)。它們并沒有變化，只是使一個(gè)原子從一個(gè)地方跑到另一個(gè)地方。干完了這件事后，它又準(zhǔn)備對(duì)下一個(gè)原子做同樣的事，猶如工廠里的機(jī)器一樣。當(dāng)然，必須對(duì)某種原子進(jìn)行補(bǔ)充，并且可以處理另一些原子。比如，以氫為例，有些酶具有特殊的結(jié)構(gòu)單元，能在各種化學(xué)反也中運(yùn)送氫原子。例如有3種或4種脫氫酶在我們整個(gè)循環(huán)的各個(gè)地方都用到。有趣的是，使一個(gè)地方的某些氫原子釋放的機(jī)構(gòu)將取走這些氫原子，并用到其他的地方去。
圖3-1的循環(huán)中最重要的是GDP轉(zhuǎn)變?yōu)镚TP（二磷酸鳥嘌呤核苷變?yōu)槿姿狲B嘌呤核苷)，因?yàn)镚TP比GDP含有更多的能量。就像在某些酶中存在著一種運(yùn)送氫原子的“盒子”一樣，在酶中也有特殊的攜帶能量的“盒子”，三磷酸基就是這樣的“盒子”?！∷訥TP比GDP具有更多的能量，而且如果循環(huán)是朝某個(gè)方向時(shí)，我們就產(chǎn)生具有附加能最的分子，它可以推動(dòng)另一個(gè)需要能量的循環(huán)，比如肌肉的收縮。陳非存在著GTP，肌肉就不會(huì)收縮。我們可以拿幾根肌肉纖維，把它們浸到水里，加一些GTP，只要這里存在著適當(dāng)?shù)拿福∪饫w維就會(huì)收縮，GTP就變?yōu)镚DP。所以真實(shí)的系統(tǒng)是在GDP-GTP轉(zhuǎn)變中；在晚上就用白天貯藏起來的GTP使整個(gè)循環(huán)往另一個(gè)方向進(jìn)行。你們可以看到酶對(duì)反應(yīng)進(jìn)行的方向并不介意，因?yàn)榧偃绮皇侨绱?，就?huì)違反一條物理定律。
物理學(xué)對(duì)于生物學(xué)和其他科學(xué)之所以極為重要還在于另一個(gè)原因，這與實(shí)驗(yàn)技術(shù)有關(guān)。事實(shí)上，如果不是由于實(shí)驗(yàn)物理的巨大發(fā)展，這些生物化學(xué)的循環(huán)圖今天就不可能知道。其理由是：分析這種極其復(fù)雜的系統(tǒng)的最有效的方法就是要辨認(rèn)在反應(yīng)過程中所用到的原子。例如，如果我們能把一些帶有“綠色標(biāo)記”的二氧化碳引到循環(huán)中去，然后測(cè)量3秒鐘后綠色標(biāo)記的位置，在10秒鐘后再測(cè)量一次，等等，我們就能描繪出反應(yīng)的過程。那么“綠色標(biāo)記”是什么呢？它們是同位素。我們可以回顧一下：原子的化學(xué)性質(zhì)是由電子的數(shù)量而不是原子核的質(zhì)量所決定的。但是有這種可能，比如在碳中，可能有6個(gè)或7個(gè)中子與每個(gè)碳原子核都具有的6個(gè)質(zhì)子在一起。這兩個(gè)原子C12與C13在化學(xué)上是相同的，但它們的重量不同，在核的性質(zhì)上也有差別，因而是可以區(qū)別的。利用這些不同重量的同位素，或者甚至利用放射性同位素，如C14就有可能跟蹤反應(yīng)的過程，這是比較靈敏的探查極少量物質(zhì)的方法。
現(xiàn)在，讓我們回到酶和蛋白質(zhì)的描述。并不是所有的蛋白質(zhì)都是酶，但是所有的酶都是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)有許多種，比如肌肉中的蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，它們存在于軟骨、頭發(fā)和皮膚中，等等，這些蛋白質(zhì)本身并不是酶。但是，蛋白質(zhì)是生命的非常具有代表性的物質(zhì)：首先，它們組成了所有的酶；其次，它們構(gòu)成了大部分其余的生命物質(zhì)。蛋白質(zhì)具有十分有趣而簡單的結(jié)構(gòu)。它們是一系列，或者說是一鏈不同的氨基酸。有20種不同的氨基酸，它們?nèi)慷寄芑ハ嘟M合而形成鏈，其股價(jià)是CO-NH，等等。蛋白質(zhì)不是別的，正是這20種氨基酸形成的各種各樣的鏈。每一種氨基酸可能起某種特定的作用。比如，有一些氨基酸在一定的位置上有一個(gè)硫原子；當(dāng)同一蛋白質(zhì)內(nèi)有兩個(gè)硫原子時(shí)，他們就形成一個(gè)鍵，也就是說，他們把鏈在這兩點(diǎn)上連接起來形成一個(gè)環(huán)。另一種氨計(jì)算有一個(gè)額外的氧原子，因而使它變?yōu)樗嵝晕镔|(zhì)，再有一種則是堿性的特征。有些氨基酸在一邊懸掛著一個(gè)大基團(tuán)，因此占有許多空間。有一種稱為脯氨酸的氨基酸實(shí)際上并不是氨基酸，而是亞氨基酸。這里稍微有些差別，因?yàn)楫?dāng)脯氨酸在鏈上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)扭曲。如果我們想制造一種特殊的蛋白質(zhì)，就應(yīng)當(dāng)按照這樣的規(guī)則：這里先放一個(gè)硫鉤；然后加進(jìn)某種東西來占據(jù)空位；再加入某種東西以形成鏈上的扭曲。這樣，我們將得到一個(gè)外觀上復(fù)雜的鏈，它們相互鉤連在一起，具有某種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；這可能就是所有的酶形成的方式。1960年以來，我們所獲得的偉大成就之一就是終于發(fā)現(xiàn)了某些蛋白質(zhì)的原子的精確空間排列。在這些蛋白質(zhì)中，一條鏈上就含有56個(gè)活60個(gè)左右的氨基酸鏈，在兩種蛋白質(zhì)的復(fù)雜圖樣中已經(jīng)確定了1000個(gè)以上的原子（如果把氫原子計(jì)入，那么就很接近于2000個(gè)）的位置。第一種闡明結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)就是血紅蛋白。這個(gè)發(fā)現(xiàn)的不足之處是我們從這樣的圖樣中不能看出任何東西；我們不理解他為什么會(huì)具有那樣的功能。當(dāng)然，這是下一步需要解決的問題。
另一個(gè)問題是，酶怎么知道該成為什么？一個(gè)紅眼蠅會(huì)生出一個(gè)小紅眼蠅，這樣產(chǎn)生紅色素的整個(gè)酶組信息必定從一代傳到下一代。這是由細(xì)胞核中的一種稱為DNA（脫氧核糖核酸的縮寫）的物質(zhì)所完成的，它不是蛋白質(zhì)。這種關(guān)鍵的物質(zhì)從一個(gè)細(xì)胞傳到另一個(gè)細(xì)胞（例如，精蟲細(xì)胞主要由DNA組成），并且攜帶了關(guān)于如何形成酶的信息。DNA是一張“藍(lán)圖”。那么這張藍(lán)圖看來像什么，他又如何起作用？首先，這張藍(lán)圖必須能加以復(fù)制。其次，它必須能給蛋白質(zhì)以指令。說到復(fù)制，我們可能會(huì)認(rèn)為這種過程像細(xì)胞的復(fù)制。但細(xì)胞只是簡單地長大，然后一分為二。那么DNA分子也必須如此嗎？他們也是長大以后一分為二嗎？每一個(gè)原子當(dāng)然不會(huì)長大并一分為二！因此，除非有一種更聰明的辦法，否則就不可能復(fù)制出一個(gè)分子來。
對(duì)DNA這種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了很長時(shí)間的研究，首先用化學(xué)方法找出它的成分。然后又用X射線法找出它在空間的圖像。結(jié)果得到如下值得注意的發(fā)現(xiàn)：DNA分子是一對(duì)彼此纏繞在一起的鏈。這些鏈與蛋白質(zhì)的鏈類似，但化學(xué)結(jié)構(gòu)上是完全不同的，每條鏈的股價(jià)是一列糖與磷酸基，如圖3-2所示?，F(xiàn)在我們看出鏈?zhǔn)窃鯓尤菁{指令的，因?yàn)槿绻覀儼堰@個(gè)鏈從中間劈開，就可以得到一個(gè)BAADC……系列，而每個(gè)生命體都可以有一個(gè)不同的系列。這樣，也許為制造蛋白質(zhì)所需的特殊指令已以某種方式包括在DNA的特殊系列里。
與鏈上的每一個(gè)糖相結(jié)合，并把兩條鏈連接在一起的是一些交叉鏈對(duì)。然而他們并不都是相同的?？偣灿兴姆N：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶及鳥嘌呤?，F(xiàn)在讓我們稱他們?yōu)锳、B、C和D。有趣的是，只有一定的配對(duì)才能彼此處于相對(duì)的位置，例如A對(duì)B，C對(duì)D。當(dāng)這些對(duì)放在二列鏈上時(shí)，他們“彼此對(duì)合”，并具有強(qiáng)大的相互作用能。然而C不適合于A、B也不適合于C；它們的適合配對(duì)是A對(duì)B，C對(duì)D。所以假如有一個(gè)是C，另一個(gè)就一定是D，等等。在一條鏈上無論是什么字母，在另一條鏈上則必須有特定的與之配對(duì)的字母。
那么，復(fù)制又是怎么一回事呢？假設(shè)我們把這個(gè)整鏈一分為二，我們?cè)趺茨苤圃斐隽硪粋€(gè)正好與它一樣的鏈呢？如果在細(xì)胞的物質(zhì)中有一種加工部門，產(chǎn)生了磷酸鹽、糖以及沒有聯(lián)在一個(gè)鏈上的A、B、C、D單元，那末唯一能與我們那個(gè)分開的鏈相連的單元必須是正確的，是BAADC……的補(bǔ)體，即ABBCD……。于是，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，鏈亦從中間裂開，一半最終與其中一個(gè)細(xì)胞在一起，而另一半則留在另一個(gè)細(xì)胞內(nèi)；當(dāng)它們分離后，每個(gè)半鏈都會(huì)形成一個(gè)新的補(bǔ)足的鏈。
接下來的一個(gè)問題是A、B、C、D單元的次序究竟怎樣精確地決定蛋白質(zhì)中氨基酸的排列？這是今天生物學(xué)中沒有解決的一個(gè)中心問題。然而，初步的線索，或者說一點(diǎn)信息是：在細(xì)胞中存在一種叫做微粒體的小小粒子，現(xiàn)已知道它就是制造蛋白質(zhì)的地方。但是微粒體并不在細(xì)胞核內(nèi)，而DNA及它的指令卻在細(xì)胞核內(nèi)?？磥硎怯心撤N原因的。然而，現(xiàn)在也知道從DNA分出的小分子，不像攜帶有全部信息的大DNA分子那樣長，而像它的一個(gè)小部分。它叫RNA，但這無關(guān)緊要。RNA是一種DNA的拷貝——一個(gè)簡短的拷貝。RNA不知怎么地?cái)y帶了關(guān)于要制造那種蛋白質(zhì)信息，跑到微粒體中，這一點(diǎn)我們已經(jīng)知道了。當(dāng)它到達(dá)那里后，在微粒體中就合成出蛋白質(zhì)，這一點(diǎn)也已經(jīng)知道了。不過，氨基酸是怎樣進(jìn)入蛋白質(zhì)的，又是怎樣根據(jù)RNA上的密碼來排列，等等，這些細(xì)節(jié)則還不太清楚。我們不知道如何去解這種密碼。比方說，假如我們知道了一排字母ABCCA，我們也無法告訴你要制造的是什么蛋白質(zhì)。
今天，無疑沒有一個(gè)學(xué)科或領(lǐng)域在這樣多的前沿上比生物學(xué)取得更大的進(jìn)展；如果我們要作出引導(dǎo)著人們?cè)谔剿魃呐χ胁粩嗲斑M(jìn)的最有成效的假說，這就是：所有的物質(zhì)都是由原子組成的，并且生命體所做的每一件事都可以從原子的擺動(dòng)和晃動(dòng)中來理解。
§3-4 天文學(xué)
在我們對(duì)整個(gè)世界非常概括的描繪中，現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)到天文學(xué)上。天文學(xué)是一門比物理學(xué)古老的學(xué)科。事實(shí)上，正是天文學(xué)向物理學(xué)提出了解釋星體運(yùn)動(dòng)的如此美妙而又簡單的問題，對(duì)于這個(gè)問題的理解，就構(gòu)成了物理學(xué)的開端。但是在所有的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)中，最值得注意的是：星體是用同地球上一樣的原子組成的（在這里我是講得多么匆促??！在這個(gè)簡短的敘述中，每一句話包含了多么豐富的內(nèi)容！“星體和地球部是用同樣的原子組成的。”我通常挑選跟這一樣的小題目來講課。據(jù)詩人們說，科學(xué)使星星失去了美麗——它們只不過是由氣體原子組成的球體。但事實(shí)上根本不是這么一回事。我同樣會(huì)在荒涼的夜晚仰望星空，并且有所感受。但我是看得太少了還是太多了呢？無垠的天空豐富了我的想象，我那小小的眼睛掃遍這回轉(zhuǎn)的天穹，就能注視這歡樂的天空，并且能夠捕獲一百萬年前發(fā)出的里光。宇宙是一幅無邊無際的圖案——我也是其中的一部分——也許組成我的身體的材料正是從某個(gè)已被遺忘的星球上噴射出來的，就像那兒的一個(gè)星球正在不斷爆發(fā)一樣。假若我通過帕洛瑪（Palomar）的巨大眼睛[指安裝在美國威爾遜（Wilson）山帕洛瑪天文臺(tái)的200英寸光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——譯者注。來觀察夜空，那么就會(huì)看到原來或許緊靠在一起的星群從某個(gè)共同的起點(diǎn)往四面八方奔馳而去。宇宙的模式，或者說它的含義，它的成因是什么？人們對(duì)這些可題有點(diǎn)了解是不會(huì)有損于宇宙的奧秘的。真理遠(yuǎn)比以往任何藝術(shù)家的想象更為奇妙！為什么現(xiàn)在的詩人不去歌頌它？如果朱庇特（木星）像一個(gè)人，詩人就會(huì)歌頌它，但是如果朱庇特是一個(gè)由甲烷和氨組成的旋轉(zhuǎn)的巨大球體，詩人就很可能默不作聲。）那么這是怎么知道的呢？原子釋放具有確定頻率的光，這有點(diǎn)像樂器的音色是具有確定的音調(diào)或頻率的聲音。當(dāng)我們聽見幾種不同的音調(diào)時(shí)，可以分別說出它們來，但是當(dāng)我們用眼睛觀察混合的顏色時(shí)，卻無法說出它由哪幾種顏色組成，因?yàn)檠劬Φ谋鎰e能力在這一點(diǎn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上耳朵。然而，利用分光鏡我們可以分析光波的頻率，這樣就可以看見各個(gè)不同星體上的原子所發(fā)生的真正“音調(diào)”。事實(shí)上，有兩種化學(xué)元素在地球上被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)在星體上發(fā)現(xiàn)了。氦是在太陽上發(fā)現(xiàn)的，它的名稱就是由此而來的；锝是在一種冷卻的星體上發(fā)現(xiàn)的。這當(dāng)然使我們?cè)诶斫庑求w方面取得了一定的進(jìn)展，因?yàn)樗鼈円彩怯酶厍蛏贤瑯拥脑咏M成的。今天，我們已經(jīng)知道了許多有關(guān)原子的知識(shí)，特別是它們?cè)诟邷囟芏炔惶蟮臈l件下的行為，這樣我們就能用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法來分析星體物質(zhì)的性能。即使我們無法在地球上復(fù)現(xiàn)有關(guān)的條件，但是應(yīng)用基本的物理定律往往能精確地或十分接近地說出會(huì)發(fā)生什么事情。這就是物理學(xué)幫助了天文學(xué)?？磥砹钊似婀值氖牵覀儗?duì)太陽內(nèi)部物質(zhì)的分布情況的了解遠(yuǎn)勝于對(duì)自己腳下的地球內(nèi)部情況的了解。我們對(duì)星體內(nèi)部發(fā)生的情況的了解要比在人們必須通過望遠(yuǎn)鏡來觀察小小的光點(diǎn)這種困難的情況下可能推測(cè)出更多一些，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，我們可以計(jì)算出星體里的原子應(yīng)當(dāng)做些什么。
給人印象最深的發(fā)現(xiàn)之一是使星球不斷發(fā)出光和熱的能量來源問題。有一個(gè)參與這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的人，在他認(rèn)識(shí)到要使恒星發(fā)光，就必須在恒星上不斷地進(jìn)行核反應(yīng)之后一天晚上和他的一位女朋友出去散步。當(dāng)這個(gè)女朋友說：“看這些星星閃爍得多美??！”他說：“是的，在此刻我是世界上唯一知道為什么它們會(huì)發(fā)光的人。”他的女朋友只不過對(duì)他笑笑。她并沒有對(duì)于同當(dāng)時(shí)唯一知道恒星發(fā)光原因的人一起散步產(chǎn)生什么深刻的印象。的確，孤單是可悲的，不過在這個(gè)世界上就是這個(gè)樣子。
正是氫原子核的“燃燒”給太陽提供了能量，這時(shí)氫也就轉(zhuǎn)變成了氦。而且，最終從氫制造出各種化學(xué)元素的過程是在恒星的中心進(jìn)行的。組成我們身體的各種元素在一個(gè)星體上一次“烹調(diào)”好后，就被拋出，存在于宇宙之中。我們是怎么知道的呢？因?yàn)檫@里有一條線索?；瘜W(xué)反應(yīng)永遠(yuǎn)改變不了不同的同位素的比例——多少C12，多少C13等等，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)對(duì)二者而言都是大致相同的。這個(gè)比例純粹是核反應(yīng)的結(jié)果。看看，在熄滅的、冷卻的余燼——比如我們自己就是這樣的產(chǎn)物——里同位素的比例，就可以發(fā)現(xiàn)在構(gòu)成我們身體的材料的形成時(shí)期熔爐像什么樣子。這個(gè)熔爐很像恒星，所以很可能我們的元素是在恒星上“制造”出來，而在我們稱為新星和超新星的爆炸中被噴吐出來的。正是因?yàn)樘煳膶W(xué)與物理學(xué)是這樣密切相關(guān)，所以我們學(xué)下去時(shí)將要研究許多許多有關(guān)天文學(xué)的知識(shí)。
§3-5 地質(zhì)學(xué)
我們現(xiàn)存轉(zhuǎn)到所謂的地球科學(xué)或地質(zhì)學(xué)。首先是氣象學(xué)和天氣。當(dāng)然氣象學(xué)的儀器是物理儀器，就像前面所說的那樣，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展使得提供這些儀器成為可能。然而，物理學(xué)家從來沒有得出滿意的氣象學(xué)理論。“怎么！”你們會(huì)說：“這里除了空氣以外什么東西都沒有，而我們已經(jīng)知道了空氣的運(yùn)動(dòng)方程。”我們的確知道。“那么，如果我們知道了今天的空氣狀態(tài)，為什么就不能計(jì)算出明天的空氣狀態(tài)？”首先，我們并不真正知道今天的狀態(tài)究竟是怎樣的，因?yàn)榭諝獾教幮D(zhuǎn)。結(jié)果它非常敏感，甚至不穩(wěn)定。假如你們看到過水流平穩(wěn)地流過水壩，然后當(dāng)它下落時(shí)一下子變成大量的水珠和水滴的話，你就會(huì)懂得我所說的不穩(wěn)定是什么意思了。你們知道水在流出溢水口之前的情況，它是十分平滑的；但是在它開始下落的一瞬間，水滴從哪里開始濺出？水滴將會(huì)有多大，并且在哪里的因素是什么？這些都無法知道，因?yàn)檫@里水是不穩(wěn)定的。而對(duì)于空氣來說，即使是平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)著，但當(dāng)它越過一座山時(shí)就變成了復(fù)雜的旋渦。在許多領(lǐng)域中都出現(xiàn)這種湍流現(xiàn)象，我們?cè)诮裉爝€無法對(duì)之進(jìn)行分析?，F(xiàn)在，趕快離開天氣問題，回到地質(zhì)學(xué)上去吧！
對(duì)于地質(zhì)學(xué)而言，它的基本問題是，究竟是什么使地球成為現(xiàn)在這個(gè)樣子？最明顯的過程就在你們眼前，這就是河流、風(fēng)等等的侵蝕過程。要理解這些事是相當(dāng)容易的，但是要知道，對(duì)于每一片侵蝕部有等量的另外一些東兩出現(xiàn)。平均而言，今天的山脈并不比過去的低，因此必定有一種造山過程。假如你們學(xué)過地質(zhì)學(xué)，你們就會(huì)知道，確實(shí)存在著造山過程以及火山作用，這些現(xiàn)象沒有人懂得，但卻占了地質(zhì)學(xué)的一半內(nèi)容。實(shí)際上，火山的本質(zhì)并沒有被人們所理解。造成地震的原因是什么最終也不了解。我們所知道的是，如果一個(gè)東西推動(dòng)另外一些東西，那么就會(huì)突然斷裂，并且產(chǎn)生滑動(dòng)，這當(dāng)然是對(duì)的。但是什么東西在推？為什么會(huì)這樣？有一種理論認(rèn)為，在地球內(nèi)部存在著環(huán)流，它是由于內(nèi)外溫度上的差別而造成的，也就是它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中輕微地推著地球的表層。這樣假如有兩股相對(duì)的環(huán)流在某個(gè)地方碰上的話，物質(zhì)就會(huì)在這個(gè)區(qū)域里堆積起來而形成山脈，這些山脈處于非常不相宜的受到應(yīng)力的狀態(tài)，這樣就會(huì)引起火山爆發(fā)，造成地震。
那么地球內(nèi)部的情況是怎樣的呢？關(guān)于地震波在地球里的傳播速度以及地球的密度分布已經(jīng)了解得很多。然而，關(guān)于物質(zhì)處于我們預(yù)期在地球中心所應(yīng)有的壓強(qiáng)之下會(huì)有怎樣的密度，物理學(xué)家沒有能夠提出一種有效的理論。換句話說，我們還不能很好地解決在這種情況下的物質(zhì)的性質(zhì)問題。我們?cè)诘厍蚍矫嫠龅氖卤仍谛求w的物質(zhì)條件下所做的事要差得多。這里所包含的數(shù)學(xué)到現(xiàn)在為止看來似乎過于復(fù)雜，但是也許不要很長時(shí)間就會(huì)有人認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)重要的問題，并且真正著手于解決這個(gè)問題。當(dāng)然，另一方面，即使我們確實(shí)知道了密度，還是不能判斷環(huán)流，也不能真正得知高壓下的巖石的性質(zhì)。我們無法說出巖石要多快才會(huì)“融化”；這必須通過實(shí)驗(yàn)來解決。
§3-6 心理學(xué)
接下來，我們考慮心理科學(xué)。順便提一下，心理分析并不是一門科學(xué)，它充其量不過是一個(gè)醫(yī)學(xué)過程，也許更像巫術(shù)。它有一個(gè)疾病起源的理論——據(jù)說有許多不同的“幽靈”等等。巫醫(yī)有一個(gè)理論說像瘧疾那樣的疾病是由進(jìn)入空氣中的幽靈所引起的；但是醫(yī)治瘧疾的藥方并不是將一條蛇在病人頭上晃動(dòng)，而是奎寧。所以，如果你的身體感到有什么不舒服，我倒勸你到巫醫(yī)那兒去，因?yàn)樗菍?duì)疾病知道得最多的那批人中的一個(gè)。然而，他的知識(shí)不是一種科學(xué)。心理分析沒有用實(shí)驗(yàn)仔細(xì)地檢驗(yàn)過，因此沒有辦法知道，在哪些情況下它是有效的，在哪些情況下則是無效的，等等。
心理學(xué)的其他一些分支，包括感覺的生理學(xué)——在眼睛里出現(xiàn)一些什么情況，在大腦中出現(xiàn)一些什么情況——可以說，是并不令人感到興趣的。但是在它們的研究中取得了一些微小的然而是真正的進(jìn)展。有一個(gè)最有趣的技術(shù)性問題可以歸之為心理學(xué)，也可以不歸之為心理學(xué)。即有關(guān)大腦——如果你愿意的話，或者說神經(jīng)系統(tǒng)的中心問題是：當(dāng)某種動(dòng)物學(xué)到了某件事后，它就能做一些以前不會(huì)做的事，所以它的大腦細(xì)胞也一定會(huì)有變化——只要大腦細(xì)胞是由原子構(gòu)成的。那么，差別表現(xiàn)在哪里呢？當(dāng)一件事情被記在大腦里后，我們不知道在哪兒去找它，或者去找些什么東西。如果一件事情被學(xué)到了，它意味著什么，或者說神經(jīng)系統(tǒng)有些什么變化，我們都不知道。這是一個(gè)很重要的問題，但根本沒有解決。然而，假設(shè)存在著某種記憶的物質(zhì)的話，那么大腦恰恰就是這么多的連線和神經(jīng)的集合體，這種集合體大概是無法用簡單的方式來分析的。這和計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)單元很類似，它們也有大量的布線，有某種單元，大概就類似于神經(jīng)元觸點(diǎn)，或者說一根神經(jīng)到另一根神經(jīng)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)。思維和計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系是一個(gè)非常有趣的課題，但我們?cè)谶@里沒有時(shí)間作進(jìn)一步的討論。當(dāng)然，必須懂得這個(gè)課題在有關(guān)人們一般行為的真正復(fù)雜性上所告訴我們的東西是非常之少的。每個(gè)人之間存在著如此巨大的差別。為了要達(dá)到那種理解將需要很長的時(shí)間，我們必須把研究起點(diǎn)退到更后面的地方。假如我們總算能夠解決狗是怎樣活動(dòng)的，我們就已經(jīng)走得夠遠(yuǎn)了。狗是比較容易理解的，但是今天還沒有一個(gè)人懂得狗是怎樣活動(dòng)的。
§3-7 情況何以會(huì)如此 ？
為了使物理學(xué)不僅在儀器的發(fā)明方面，而且在理論方面對(duì)其他科學(xué)也有所裨益，有關(guān)的科學(xué)就必須向物理學(xué)家提供用物理學(xué)家的語言描述的研究對(duì)象。人們或許會(huì)問：“青蛙為什么會(huì)跳躍？”物理學(xué)家對(duì)此就回答不出。如果人們告訴他青蛙是什么，這里有這么多的分子，那里有神經(jīng)，等等，情況就不同了。假如人們或多或少地告訴我們地球或者星星是怎樣的，那么我們就能夠把它們想象出來。要使物理理論有點(diǎn)用處，我們就必須知道原子的位置。要理解化學(xué)，就應(yīng)當(dāng)確切知道存在著哪些原子，不然就無法分析。當(dāng)然，這只是限制因素之一。
在物理學(xué)的姐妹科學(xué)中存在著另一種物理學(xué)中不存在的問題，因?yàn)闆]有更好的措詞，我們可以稱它為歷史問題。情況何以會(huì)如此？假如我們懂得了生物學(xué)的一切，就會(huì)想要知道現(xiàn)在地球上的所有生物是怎樣發(fā)展的。這就是生物學(xué)的一個(gè)重要部分——進(jìn)化論。在地質(zhì)學(xué)中，我們不僅要知道山脈正在怎樣形成，而且要知道整個(gè)地球最初是怎樣形成的，太陽系的起源，等等。當(dāng)然，這就會(huì)使我們想要知道在宇宙的彼時(shí)有什么樣的物質(zhì)。恒星是怎樣演化的？初始狀態(tài)又是如何？這些都是天體的歷史問題。今天我們已經(jīng)弄清楚許多有關(guān)恒星的形成及有關(guān)組成我們身體的元素的形成的知識(shí)，甚至還知道一些有關(guān)宇宙起源的事。
目前在物理學(xué)中還沒有這種歷史問題要研究。我們不會(huì)問：“這里是物理學(xué)的定律，它們是怎樣變化而來的？”我們此刻不去想象物理定律以某種方式隨時(shí)間而變化，不認(rèn)為它們?cè)谶^去與現(xiàn)在是有差別的。當(dāng)然，不能排除這種可能，而且我們一旦發(fā)現(xiàn)果真如此時(shí)物理學(xué)的歷史問題就將與宇宙發(fā)展的其余歷史問題交織在一起，于是物理學(xué)家就要談?wù)撎煳膶W(xué)家、地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家同樣的問題。
最后，在許多領(lǐng)域中普遍存在著一個(gè)物理問題，這是一個(gè)很古老的問題，但是還沒有得到解決。這并不是尋找新的基本粒子的問題，而是好久之前——大約一百多年前就遺留下來的一件事情。在物理學(xué)上沒有一個(gè)人能夠真正令人滿意地對(duì)它進(jìn)行數(shù)學(xué)的分析，盡管它對(duì)于姐妹科學(xué)來說是一個(gè)重要問題。這就是環(huán)流或湍流的分析。如果我們注視著一個(gè)恒星的演化，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的情形，我們可以推斷出將要出現(xiàn)對(duì)流，但在這以后我們就再也無法推斷會(huì)有什么事發(fā)生了。幾百萬年后這個(gè)星體會(huì)發(fā)生爆炸，但是我們想不出是什么道理。我們不能分析氣候，也不知道地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。這類問題的最簡單的形式就是取一根很長的管子，使水高速通過。我們問：使一定量的水通過管子需要多大的壓力？沒有人能從基本原理和水的性質(zhì)出發(fā)來分析它。如果水流得非常慢，或者用的是蜂蜜那樣的粘性物質(zhì)，那么我們可以分析得很不錯(cuò)。在你們的教科書上就有這方面的內(nèi)容。我們真正不能處理的是實(shí)際的水流過管子的問題。這是一個(gè)我們有朝一日應(yīng)當(dāng)解決的中心問題，但是現(xiàn)在還沒有解決。
有一位詩人曾經(jīng)說過：“整個(gè)宇宙就存在于一杯葡萄酒中。”我們大概永遠(yuǎn)不可能知道他是在什么含義上這樣說的，因?yàn)樵娙说膶懽鞑⒉皇菫榱吮焕斫?。但是真?shí)的情況是，當(dāng)我們十分接近地觀察一杯葡萄酒時(shí)，我們可以見到整個(gè)寧宙。這里出現(xiàn)了一些物理學(xué)的現(xiàn)象：彎彎的液面，它的蒸發(fā)取決于天氣和風(fēng)；玻璃上的反射；而在我們的想象中又添加了原子。玻璃足地球上的巖石的凈化產(chǎn)物，在它的成分中我們可以發(fā)現(xiàn)地球的年齡和星體演化的秘密。葡萄酒中所包含的種種化學(xué)制品的奇特排列是怎樣的？它們是怎樣產(chǎn)生的？這里有酵素、酶、基質(zhì)以及它們的生成物。于是在葡萄酒中就發(fā)現(xiàn)了偉人的概括：整個(gè)生命就是發(fā)酵。任何研究葡萄酒的化學(xué)的人也必然會(huì)像巴斯德（L.Pasteur）所做過的那樣發(fā)現(xiàn)許多疾病的原因。紅葡萄酒是多么的鮮艷！讓它深深地留在人們美好的記憶中去吧！如果我們微不足道的有限智力為了某種方便將這杯葡萄酒——這個(gè)宇宙——分為幾個(gè)部分：物理學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、心理學(xué)等等，那么要記住大自然是并不知道這一切的。所以讓我們把所有這些仍舊歸并在一起，并且不要忘記這杯酒最終是為了什么。讓它最后再給我們一次快樂吧！喝掉它，然后把它完全忘掉！
