薛丁格生命物理學講義：生命是什麼？

'物理學大師薛丁格辭世五十五周年紀念，貓頭鷹出版社二十五周年巨獻
台大生化所楊啟伸副教授特別撰寫二○一六全新導讀
中華民國物理學會最佳百本物理科普書

生命是什麼？無機質如何構築生命與心智？
悠隔一甲子，薛丁格討論物理學與生物學交會地帶的經典巨著重現！

以「薛丁格的貓」完美詮釋量子力學中測不準定理的物理學大師薛丁格，於生前即從物理領域欲求探究「生命是什麼」這一問題，試圖回答生命運作之物理機制，本書共有兩部分，分別探討「生命」、「心智與物質」，也是薛丁格一生的個人自傳。

哪些物理機制才得以讓生命可以運作？
生命是由複雜的長鏈有機質所構成，然而，這長鏈有機物又如何才能夠運作？薛丁格在第一部分當中仔細剖析了運作過程中的物理機制，包括擴散作用之下的布朗運動，其始於分子的不規則碰撞所導致，這卻提供了細胞吸收養分、排泄廢物的重要機制。另外，薛丁格也詳細解釋了孟德爾所提出的遺傳學說背後的物理性質，及突變的「跳躍性」可比擬為原子。最後，薛丁格提出一個問題：生命是以物理定律為基礎嗎？

意識的物理基礎是什麼？
生命之謎當中，另外一件事情另當今學者皆深感興趣的，則是這些物質的運作是如何引發意識？意識又奠基於何者而存在？薛丁格在此一部分揭露這些問題的存在，並以統計物理學的觀點說明心理意識的運作過程，提供了後世心理學家及腦神經科學家廣闊的意識研究視野。

舉足輕重的《薛丁格物理學講義：生命是什麼？》：負熵概念的提出
本書原本只是一系列通俗科學演講的結集；沒想到這本為非專家所寫的書，最後卻成為發現ＤＮＡ結構、並導致分子生物學誕生的關鍵著作。現為薛丁格辭世５５周年，薛丁格這本《薛丁格物理學講義：生命是什麼？》實在有遺傳研究上舉足輕重的地位。


本書發表年代距今已超過五十年，當年薛丁格雖精準預測遺傳分子的運作過程，但仍因為現代科學的進展而有一些疏漏，本書中文版特別邀請物理學博士李精益副教授全文校訂，中研院史語所王道還研究員與台大物理系高涌泉教授協助審定，並修正原書中由於時代背景造成的少數科學發展錯誤，以使讀者有最詳實明確的理解。此外，台大生化所楊啟伸副教授以及台大物理系高涌泉教授皆特別撰寫專文導讀，充分闡述薛丁格的思想梗概，使讀者更能清楚掌握本書脈絡。

◎中華民國物理學會百大物理科普書
◎台大生化所楊啟伸副教授特別撰寫二○一六全新導讀
◎台大物理系高涌泉教授專文導讀
◎物理學博士李精益副教授全文審定、中研院史語所王道還研究員協助審定

各界好評
現代生物學的許多重要發展，都可追溯到這本《生命是什麼？》。
──王道還，中研院史語所研究員

二十世紀科普經典。
──高涌泉，台灣大學物理系教授

二十世紀生物領域最重要的書籍之一。
──古爾德，古生物學家，《貓熊的大拇指》作者

本世紀最有影響力的科學著作。……絕對值得你反覆閱讀。
──潘洛斯，數學物理學家、認知科學家，《皇帝新腦》作者

他的見解啟迪了整個世代的科學家。
──瑞德利，前國際生命研究中心主席，《23對染色體》作者

你可以在幾個小時內讀完本書，但你一輩子也不會遺忘。
──《科學人》雜誌(Scientific American)

奧地利物理學家，一八八七年出生於維也納。以研究量子理論聞名，並以著名的波動方程式開創了波動力學，因而獲得一九三三年諾貝爾物理學獎。一九六一年卒於維也納。

█二○一六年最新版導讀
生命是什麼？ 楊啟伸

如果你現在拿起此書，想著這本「生命是什麼？」到底會講些什麼？能給我啓發什麼？那這篇導讀，就是要你在幾分鐘之內，知道這本書的內容精髓。於是，不論你最終是否決定擁有這本書，你都會像是已經擁有「它」，或至少認識了「它」。

直接了當地說：如果說，物質組成的原理是「化學」，物質運作的規則和描述則是「物理」的範疇，薛丁格在本書試圖用物理和化學的基本知識，來了解和說明生命的現象。但他遇到了困難：生命既不是純化學化合物的組合，也有很多行為不符合物理原則！

因此，對於生命體，在第一章，針對「化學」觀點方面，薛丁格首先認為，生命，仍是以原子為基礎組成，有排列次序的巨大有機體，而這有機體的運作規則和描述，可用組成原子接近統計的整體行為來看。

生命為何要先組合成巨大有機體，小原子或分子當生命有何不可？薛丁格認為，因為物體要大到一定程度，才能有精確的行為。小分子的運動，除了自己的動能外，還有環境的隨機力量推著，如布朗運動和擴散。如果生命不是大到可使其他運動力量足以被忽略的程度，那麼，當我問你要去哪裡時，你可能會跟我說：「我會試著去對街的超商，但我不確定我能不能走到！因為其他力量也會參與影響我往那個方向走。我可能被『推』或『擴散』到光華商場去！」。

薛丁格更進一步，對大有機體的集體行為和統計的關係，說明對「集體數目」開根號的值，就是和環境交互作用準確性「誤差值」的估計：大數目之下的誤差反而小。以量子力學的觀點換言之，我們必須「不能」長得和小原子一般尺寸，才得以控制巨觀行為。不僅如此，巨大有機體也因能準確控制行為，才能從事各種原本小分子不能做的事；而且所做的事，不一定和小分子本身有相關。如大腦是由無數原子所組成，但卻不是用來記錄單個原子事件。

作者在建立了生命是由原子尺寸的小分子所結合，成為具有行為準確性的巨大有機體後，想要找說明的例子。他似乎是受原本開布染坊，後來也研究植物的父親影響或啓發，決定用當時以植物為主的遺傳學成果為例，把基因設想為：比原子大，但卻有準確控制行為的作用單位。他準確（或賣弄）地，以人有23對、46個染色體為例，說明人類基因來自父和母減數分裂後，以各23個染色體配對。之後，同一個表現型，是由父與母各自帶著的染色體上，具有顯性或隱性之基因配對後，決定最終是顯性或隱性。他由數學機率和表現型之配合，說明基因運作原則，並提出遺傳分子雖小但穩定，以及其可能的大小尺寸。作者指出當達林頓以染色體上的橫紋（當成是一個基因）和染色體大小相除，得到基因大小是30奈米，並由此推算基因大小只是100～150個原子；雖小，但卻有不可思議的穩定性。

接著，作者以「突變」這個基因看得見的行為，說明基因的變化是不連續的，且是以在定點為單位地發生。作者為何要提基因運作、突變這些事呢？其實這是先設好舞台，為了要說明二件事：基因尺寸小而穩定，以及古典物理無法說明基因這種小尺寸分子穩定的原因，但量子力學可以！因為量子力學有能階（離散，非連續）的概念，可以能階差和溫度會影響穩定性兩個概念解釋基因特性。但作者也迅速地以生命化學分子有同分異構物，以及能階間的轉換有時不只需要熱能，也要能越過比變化前後兩態能量都要高的活化能門檻（或閾值）這二個觀念，做為二個修正之後，才能明確說明生命分子的穩定性（如基因突變後，仍然是穩定的）。換言之，不會隨便出門曬曬太陽，我們就變了模樣！

基於以上的論述，薛丁格為量子力學之所以能解釋生命，做了幾個總結式的描述。他提到，其實生命分子較類似非完美、但有週期性的晶體和固體，而非液、氣體；而且各式排列整齊且有同分異構物的分子，不需很多的數量，就可排列出數量甚大的組合（基因）。

猶有進者，作者對生命如何維持運作秩序、逃避直接衰退，提出了頗具爭議的「負熵」概念。大致上，熵可以用「多麼不能作功的程度」的方式來瞭解；熵越大，這個狀態越不能做功。也因此，生命結束時的熵是甚大的！熵之計算，是若吾人在絕對溫度T 提供熱量Q（卡路里）來把一個狀態改變到另一個狀態時，此時的Q/T值；所以單位是 cal/度。作者解釋，生物是用吃、喝和呼吸當材料進行新陳代謝，以獲得「負熵」！但如何得到數學式上的負值呢？若對大於0，小於1的值取對數，會得到負值；於是如果用D代表一個系統是「多麼沒有秩序」的數值，那麼，D的倒數， 1/D，就是「多麼有秩序」的程度。於是負熵，就以 k log(1/D) 來代表。其中 k 是波茲曼常數 3.2983x10-24 cal/oC。

最後，作者以產生有序的兩種方式來說明他的內心 OS：一個是統計型機制，用以描述由「無序產生有序」；另一種是動力型機制，用以描述「由有序產生有序」。前者為一般物理學家經常研究的；後者則較接近生命運作的實況。但兩者是一體兩面，互不衝突。事實上由研究生命的有機機械結構如何運作時，會產生新的物理原理，研究和解釋這些新的物理原理，終究能以統計型所得到的原則來解釋。

最新的生命科學上，已把蛋白質的結構以原子解析度解出，並用其來解釋本書所描述的所有生命現象。作者出版此文，是1944年。有趣的，是該年同時也是學者第一次證明和發表DNA這個分子是引起肺炎球菌轉變的原因！另外，大分子具有粒子和波的雙重性，也在近年被發表。大分子具有波的性質，代表同一個時間，大分子可以在一個或一個以上的地方被發現（有干涉和繞射的現象）。

本書作者本身，和書中所提的一些科學家的先見，完全令人讚嘆！以今日生命科學和物理、化學來評斷書中內容的對錯，固有其意義，但若以「參話頭」的精神來看這本小而影響深遠的鉅作，吾人體受到的，是融合兩個或兩個以上的學科，細思其共同性的領悟模式，是從事科學研究和學習，永久都不會過時的模式。如果你決定閱讀這本書，請細細去品味薛丁格的熱情、用心、和試圖融會貫通的美麗心靈。是的，it's a beauty!

楊啟伸
國立台灣大學生化科技學系副教授

 

第一部：生命是什麼？
第一章 古典物理學家對生命問題的探討方式
第二章 遺傳機制
第三章 突變
第四章 量子力學的論據
第五章 對德布呂克
第六章 模型的探討與檢驗
第七章 有序、無序和熵
第八章 生命是以物理定律為基礎的嗎？
後記：決定論和自由意志
第二部：心靈與物質
第一章 意識的物質基礎
第二章 悟性的未來
第三章 客體化原則
第四章 算術詭論：心靈的太一
第五章 科學與宗教
第六章 感覺性質之謎

中華民國物理學會最佳百本物理科普書