“我思故我在。”，——笛卡兒

1．研究的一般性質和目的

本書是一位理論物理學家對大約400名聽眾所作的一次公開演講。在演講之前我就斷言這是一個比較晦澀難懂的題目，即便較少使用復雜的數學演繹法，恐怕演講也會有些難懂，然而聽眾卻沒有因此而減少。較少使用數學推理，并不是說這個問題簡單；相反，這個問題太過復雜以至于無法用數學語言來表達。盡管如此，演講者還是竭盡所能，用最通俗易懂的語言，把介于生理學和物理學之間的基本概念闡釋清楚。

實際上，本書涉及的問題很多，但我的任務是把一個基本的問題闡釋清楚，其他的問題也就隨之迎刃而解了。為了更加明確我們的方向，簡要地闡述本書的計劃顯得尤為重要。

本書即將討論的重大問題是：發生在生命世界中的事件，怎樣用物理學和化學的原理來解釋？這種事件的發生與時間和空間的關系又是怎樣的呢？

本書得出的初步結論概括為：時至今日的物理學和化學在解釋上述問題時的局限和無奈，并不能成為這些問題無法用科學的原則和方法來解釋的理由。

2．統計物理學結構上的根本差別

如果僅僅是因為過去沒有取得成就而激起新的希望，那么上面的注釋和論述就更加顯得微乎其微了。我們在意的倒是，為什么直到現在都沒有取得絲毫實質性的進展，這恐怕是最有價值和意義的地方。在近三四十年來，由于生物學家（大部分為遺傳基因專家）的不懈努力，關于真實有機體的結構和功能狀況已經足夠精確地說明了為什么現代的物理學和化學不能夠解釋說明生命有機體在時間和空間范圍內發生的事件。

一個有機體最重要部分的原子排列及其之間相互作用的方式，和物理學家、化學家所安排設置的原子是不同的。物理學家和化學家經常為了實驗或者理性的研究而特意對有機體的原子排列采取一定的措施。一個有機體的最活躍部分的原子排列方式及相互作用方式，與現今所有的物理學家、化學家進行理論研究和實驗的原子排列是不同的。有些物理學家認為物理學和化學的定律一直是統計力學的性質，并對此深信不疑。除了他們之外，其余的學者們會把我前文所說的差別當做是無足輕重并且經常發生的。有機體的最活躍部分的結構是非常復雜的，這與物理學家和化學家所處理的物質有著天壤之別——他們一般在實驗室里用體力作實驗而在書桌旁邊用腦力進行思考。這種看法與統計力學的觀點有些類似。正是生命有機體的活躍部分自身具有特殊的結構，才使得物理學家和化學家要把曾經發現的規律直接應用到生命有機體的行為上去幾乎是不可能的。加之，這個生命系統又不具備這些規律發生作用的基礎結構，因而更是難上加難！

我剛才費力表達的“統計力學結構”，并不奢望物理學之外的人士能夠準確地理解其含義，更不要說讓他們去辨別這些含義之間的關系了。為了不使文章的論述太過枯燥，我在這里先把后面講到的內容概述一下：活細胞的最重要部分是染色體纖絲，我們也可以稱為非周期性晶體。直到現在，我們遇到的大多是周期性晶體。在一個普通的物理學家眼里，周期性晶體就已經是十分復雜的物質了——它們構成的極具吸引力和最復雜的結構使得無生命的自然界變幻莫測。然而，如果拿它們與非周期性晶體相比的話，其復雜程度便遜色了許多。兩種不同物質的結構差別，就像是糊墻紙和刺繡的不同；一個是重復同一的花紋，一個是絢麗多彩的刺繡。這就好比拉斐爾的花氈，它顯示的不是單調的重復，而是偉大的富有創新意義的設計。

對于物理學家而言，周期性晶體是他們專業領域中最為復雜的研究對象之一。事實上，有機化學家們在日益廣泛的探索中已經或多或少地接觸到了“非周期性晶體”——我認為它就是生命的物質載體。因此，物理學家在生命問題上始終未獲得巨大的突破，而有機化學家卻建樹頗豐，這就不足為奇了。

3．一個樸素物理學家對這個主題的探討

簡要說明了研究工作的觀點后，我們就直入主題吧。首先，我解釋一下“一位樸素物理學家的有機體觀點”。這位物理學家學習了物理學的相關知識尤其是統計力學后，開始探索有機體的活動和功能方式。他試圖根據學到的知識和科學觀點，對這個問題作出適當的解釋。很幸運，他發現是能夠解釋這個問題的。緊接著，他把理論上的預見和生物學的事實加以比照。除了一些細微的地方有些出入，比較的結果說明了他的觀點大體上是正確的。如果照這樣繼續下去，他就會不斷接近正確的觀點，或者說接近自己所認為的正確觀點。

即使在這里我是正確的，我也不知道這條探索的路徑是否是最好和最簡單的。這位物理學家就是我自己，雖然我找不到其他的達到這個目標的更好方法，但這畢竟是我的途徑。

4．為什么原子如此之小

要想說明“樸素物理學家的觀點”，可以從一個非常好但卻有點可笑的問題開始——為什么原子如此之小呢？首先，它們的確很小。生活中的每一塊物質都含有數目極其驚人的原子，為了讓大家清晰地感受到這一點，我們不妨拿開爾文勛爵引用的例子作個形象的說明：如果給一杯水中的所有分子都做上記號，再把這杯水倒進海洋，經過徹底攪拌后使得這杯水均勻地分布在世界七大洋中；如果你從海洋中的隨意一處舀出一杯水來，將會發現這杯水中大約有100個有記號的分子。

原子的實際大小是黃色波長的1/5000到1/2000之間。通過對這個數據的比較，可以大概辨認出在顯微鏡下最小微粒的大小。即便是這么小的微粒，它的體積里面還包含著數十億個原子。

那么，為什么原子會這么小呢？

很顯然，只從表面回答這個問題是行不通的，因為問題的真正目的并不在于原子的大小，而是有機體的大小，尤其是我們自己身體的大小。如果我們用日常的長度單位衡量時，比如碼（1碼約為0.9144米）或米，原子的確非常小。而在原子物理學中，物理學家們通常用埃（符號為?，一公尺的百億分之一，如果以十進位小數計算則是0.0000000001米。原子的直徑則是在1～2埃的范圍內。我們身體的大小與日常的長度單位是緊密相關的。有一個故事說，碼來源于一個英國國王的幽默故事。當身邊的大臣問他采用什么度量單位時，他隨意地把手臂伸出來說：“從我的胸部中央到手指尖的長度，就把它作為度量單位吧。”這個故事是真是假，我們暫且不論，但它對我們來說的意義在于：國王無意中就提出了一個與自己身體相比擬的長度，他明白用其他的東西做單位是很不方便的。因此，盡管物理學家對“埃”這個單位情有獨鐘，但是當他選擇做一件新衣服的時候，他寧愿別人告訴他用六碼半（約為5.9436米）的布料而不是650億埃的呢。

所以，我們提出的問題的真正目的在于兩種長度的比例——一種是我們身體的長度，一種是原子的長度。鑒于原子是一種特殊的獨立存在體，我們可以反過來提問：與原子相比，為什么我們的身體這么長？

不難想象，有很多聰慧過人的物理學和化學系的學生對下面的事實感到十分遺憾。許許多多的感覺器官構成了我們身體的重要部位，然而從組成的比例來看，它們又是由數以萬計的原子組成的，因此，感覺器官在感受單個原子的碰撞方面就顯得有些粗糙和不靈敏了。我們看不見單個原子，更摸不著也聽不見。假說中的原子和我們遲鈍的感覺器官直接感受到的東西是不同的，而且也不能通過直接的觀察就能檢驗到原子。，一定是上文所說的那樣嗎？是不是有內在的原因可以解釋這個現象？為了能夠理解并闡釋清楚為什么感覺器官和大自然的規律之間的相斥，我們可以追溯到某種第一性的原理嗎？

對上面問題的疑問，物理學家的回答是肯定的，這是他們所能徹底搞清楚的一個問題。

5．有機體的活動需要精確的物理學定律

如果生命有機體的感覺器官十分靈敏，而不是那么遲鈍，那么我們的感覺器官就很容易感覺單個原子或者少數幾個原子的印象了。如果真的是那樣，生命將會是什么樣子呢？我先鄭重其事地聲明一點：毫無疑問，那樣一種有機體是絕不會發展出有序的思維的。而這種有序思維歷經漫長的時間才能最終形成原子的觀念以及其他觀念。

雖然我們只是列舉了感覺器官，其實以下的討論對于大腦和感覺器官以外的諸多器官功能也是可以解釋的。對于我們每個個體而言，最能引起我們興趣的還是：感覺、思維和知覺是如何在我們身上發生作用的。在思維和知覺的過程中，大腦和感覺系統起主要的作用，其他器官的功能只不過起輔助作用罷了。也許從純粹客觀的生物學視角來看不是這樣，但至少從我們人類的觀點來看確實是這樣的。這種認識有利于我們選擇一種與人類認識緊密相伴的過程進行研究，即使我們對這一過程的性質知之甚少。實際上就我個人來看，這已經遠遠超出了自然科學的范圍之外，甚至也完全超出了人類理性所能達到的極限。

讓我們繼續討論下面的問題：為什么諸如人類大腦之類的感覺器官以及附屬于它的感覺系統必須由大量的原子組成？大腦以及它直接與周圍環境相互作用的某些外圍部分，與一個精致靈敏地反映和記錄外界單個原子碰撞的機器相比，為什么它們之間的差異這么大呢？

我想有兩個理由可以解釋：第一，被我們津津樂道的思想本身就是一個有秩序的體系；第二，思想只能是建筑在有一定秩序性的知覺或經驗之上的。于是便產生了兩個結果：其一，思想必定是與相對應的軀體組織緊密相關，鑒于思想的秩序性，軀體組織也一定是十分有秩序的，在其內部發生的事件一定遵守著某些嚴格準確的物理學定律；其二，與相應思想的知覺和經驗相對應，外界物體對于具有良好組織的軀體所產生的反應，是我所說的思想的資料。由此看來，這個軀體系統和外界物體之間的相互作用具有物理學的秩序性，即它們必須遵循嚴格、準確的物理學定律。

6．物理學定律是以原子統計力學為根據的，因而只是近似的