生命是什麼？

1944年，來自奧地利的理論物理學家——薛定谔，發出了這樣的疑問。

薛定谔（Schrodinger），量子力學的奠基人，由于薛定谔方程的發現獲得1933年諾貝爾物理學獎，統計熱力學集大成者，分子生物學的開山鼻祖，引領了一大批物理學家向探索生命的奧秘；不過，最讓大衆熟知的，其實是他提出的一個有趣的思想實驗——“薛定谔的貓”。

薛定谔的貓——一隻既死又活的貓

1944年，薛定谔出了一本小冊子——《生命是什麼：生物細胞的物理學見解》，此書一出，吸引了一大批物理學家投身于分子生物學研究。今天我們就借由一個偉大的物理學家的智慧，來從物理角度窺探生命的奧秘。

我們日常接觸的所有物質，其實都是數量超乎想象的原子（分子）。有多麼超乎想象呢？開爾文舉過一個讓人印象深刻的例子：假設你把一杯水倒入大海，隻要充分攪拌後，再從七大洋中任意一處再舀出一杯水來，将會發現，這杯水中仍有大約100個水分子來自于原先那杯水！

換言之，100個分子相比于一杯水，恰如一杯水相比于七大洋。足見水分子之小。

具體有多小呢？一般我們認為，一個原子的直徑約為1~2埃（1埃=米）。

其實，原子是沒有确定的直徑的，因為——

原子由原子核與電子組成，電子本身是“一個點”，沒有半徑，它圍繞着原子核轉動，它轉動的範圍姑且理解為原子的内部吧。

原子核更小了，是原子的十萬分之一左右，那麼，原子核是個實體嗎？

非也。原子核由質子與中子組成，而質子與中子都是由3個誇克組成，而這個誇克也隻是一個點而已，沒有直徑，不是實體！

看到這裡，我們才真正第一次明白了，什麼叫“萬物皆空”，因為原子本身隻是由一些“點”組成的，原子是“空”的，萬物也是“空”的！

“色即是空，空即是色。”——《心經》

前面我們了解了一些宏觀世界與微觀世界的基本關系，幫助我們運用想象力在宏微世界中出入無礙，下面我們要提出一個重要的物理學思想——

統計物理學（Statistical Physics）告訴我們，每一個原子雖然都在做着難以預測的運動，但是，一堆原子的“集體行為”卻是可以預測的，而這就是所有物理學定律的基礎。

比如，我們講“溫度”，一個物體很熱或很涼，其實是對于這個物體中所有瘋狂地做着熱運動的原子，所提出的一個統計概念，用較高的溫度來表示原子熱運動劇烈，用較低的溫度來表示原子熱運動不那麼劇烈。

溫度唯一的意義，就是代表原子熱運動是程度

再比如，我們說“擴散”，一種化學物質在水中逐漸擴散，從宏觀上，我們說濃度梯度越大的地方，擴散的速度也越大，但是，對于每個原子來說，它并不能感受到濃度梯度，它隻是在無頭無腦的熱運動而已，而在任意一個截面上，整體來看，同一時間段内，原子多的一側就必然有更多的原子穿過截面，最終表現為擴散。

聽到這裡，我們應該能夠理解一個問題了，那就是——

也許不少同學思考過這樣一個問題，為什麼生物的尺寸這麼大，而不是再小幾個數量級？有沒有可能有少量原子組成的生命？

沒有。

因為生命要想生存，需要一個基本的功能，就是“感覺”。比如人類，需要視覺、聽覺、觸覺等等。而所謂感覺必須是“穩定的信号”，這就意味着必須是在感覺“足夠多數量的原子團”。一旦原子數量過少，我們感覺到的信号就非常不穩定，不符合統計規律，那麼人類就變成沒有感覺的物體了。

就好像一個測量儀器，如果它過于靈敏，那麼它其實是最無用的。

所以，人類的思維隻能建立在“有序”的物質上。

然而，生命體本體與生命體内部的物質，似乎在運行着完全不同的物理定律。

我們現在已經知道，生命體遵循着一個基本規律，這個規律如此重要，以至于被稱為生命科學的“中心法則”，如下圖所示——

從圖中我們已經感覺到一個與前面有些矛盾的問題，那就是，原子熱運動是非常不穩定的，所以必須有大量的原子統計出穩定的規律，但是，DNA分子的原子數量并不大，為什麼就能如此穩定，如此可靠？

我們現在知道，DNA分子的雙螺旋結構是非常穩定的，用量子力學的觀點來說，就是處在一個“能量最低狀态”——

分子若想産生不穩定的構型變化，其實是不能夠連續的移動的，隻能夠從大量不連續的狀态中選擇，這些狀态被稱為“能級”，而從一種狀态變成另一種狀态則稱為“量子躍遷”，對于DNA分子來說，也就是所謂的“突變”。

幸運的是，通過計算，我們發現突變的幾率非常之小，提高溫度可以提高突變的概率，如果暴露在X射線下則突變率會大大提升。

鋪墊了這麼多，終于可以展開我們今天的核心思想了——

或者這樣問：“怎樣的一團物質可以被認為是活物呢？”

水可以沸騰，化學物質可以激烈反應，然而，随着時間的流逝，系統一定會衰退為永恒不變的狀态，不會再發生任何可觀測的事件，成為一團死寂，物理學中稱為“熱力學平衡”或“最大熵狀态”。

熵（Entropy）是個非常重要的概念，尤其對于生命而言。通常，我們會這樣解釋：熵就是“混亂度”，負熵就是“序”。

萬事萬物，都會自發向最大熵狀态變化，這其實也就是我們熟知的“熱力學第二定律”了。

不過，你有沒有仔細想過，究竟什麼叫做“混亂”呢？水中的化學物質，擴散前後相比，誰更混亂呢？

其實，還有一種很好地理解熵概念的思路——熵是達成同一狀态的方式數，熵就是幾率，熵就是幾率的能量等價體。

所以，姑且也可以這麼去簡單理解，原子熱運動自發形成一團漿糊的幾率很大，因此熵大，自發形成一塊手表的幾率非常小，這時熵小。

既然萬事萬物都會自發向最大熵狀态變化，那麼生命就必須能夠産生或吸取對抗熵增的物質，也就是“負熵”。生物學中所說的“新陳代謝”，就是這個及時全部消除那些無時無刻不得不産生的熵。

所以，生命以負熵為生。

說到這裡，不禁讓人唏噓不已、浮想聯翩，原來生命之所求，無非“序”也；其中可能産生的哲學思考，留待讀者們一同在評論區探讨研究。

科技千裡眼頭條号，長期緻力于以最易懂的講解诠釋科學技術知識，與中國所有自我教育者一同學習、理解科技、認識世界。已發布專欄包括線性代數、微積分、概率統計、理論力學、材料力學、結構力學、流體力學、傳熱學、MATLAB、有限元、多物理場、材料科學、計算機原理、流變學、COMSOL、仿生學等各個方面，抓住核心思想，提煉學科精華，重構知識體系，用生動極簡的語言，極速理解理論力學學科精要，輕松掌握學科應用。

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