玻爾：生物學和原子物理學

2017諾貝爾文學獎獲得者

石黑一雄作品

《遠山淡影》

《無可慰藉》

《浮世畫家》

《被掩埋的巨人》

生物學和原子物理學

尼爾斯·玻爾

1937年10月在波洛尼亞

紀念路·伽瓦尼的物理學和生物學會議上的演講

伽瓦尼（Galvani）的不朽工作，在整個科學領域中開展了一個新時代；他的工作是一個最輝煌的例證，說明把對無生命自然界規律的探討和對生命機體屬性的研究密切結合起來是極有成果的。因此，藉此機會回顧一下多少年來科學家們對物理學和生物學之間的關係問題所持的態度，特別是討論一下最近期間原子理論的非凡發展在這方面所創造的前景，可能是合適的。

自從科學剛剛萌芽的時候起，在企圖對干變萬化的自然現象得到一種概括的看法方面，原子理論就曾經成為興趣的焦點。例如，德漠克利特（Democritus）就曾經以非常深刻的直覺能力強調過，對於物質普通屬性的任何合理說明，都需要用到原子論；大家知道，他也曾經企圖利用原子論的概念來解釋有機生命的特色，甚至解釋人類心理的特色。由於這種極端唯物的觀念帶有相當的幻想性，所以就引起了一種很自然的反作用：亞里斯多德（Aristotle），以其對當時物理知識及生物知識的同樣精湛的理解，完全地摒棄了原子理論，並試圖提供一個充分廣闊的構架，以根據本質上是目的論的概念來說明豐富的自然現象。然而，由於人們逐漸認識到一些基本自然規律對無生物體和有生機體都同樣適用，亞里斯多德學說的誇大性也就被揭露了出來。

在這方面，當想到以後成為物理學真正基礎的那些力學原理的建立時，注意到下述事實是不無興趣的：按照大家熟悉的一種傳說，阿基米德（Archimedes）關於浮體平衡原理的發現，是受到了他自己的身體在浴盆中升起時的感覺的啟示，但這一發現也同樣可能根據石頭在水中會變輕的那種普通經驗來得到。同樣，伽利略（Galileo）通過觀察美麗的比薩教堂中的掛燈擺動而認識了動力學的基本規律，而不是通過注視鞦韆上的一個小孩而認識了這種規律，這也應該認為是十分偶然的。但是，對於人們逐步認識到控制著自然現象的那些原理的本質統一性來說，這種[生物和無生物之間的]純粹外表上的類似性，當然不會起多大作用；它當然不如生命機體本和工業機械之間的那種根源深遠的相似性來得重要。這種相似性，通過解剖學和生理學的研究而被揭示了出來；這種研究在文藝復興時代曾經進行得非常強烈，尤其是在這兒，在義大利。

這種對待自然哲學的新的、實驗性的處理方式，從兩個方面受到了同樣的鼓勵，那就是，由哥白尼（Copernicus）的見解而帶來的世界圖景的擴大，以及由哈維（Harvey）的偉大成就而引起的對於動物身體中循環機構的闡明。這種處理方式開闢了一些前景；對於這種前景所抱的熱誠，在玻勒利（Borelli）的工作中得到了或許是最突出的表現，他曾經非常細緻地闡明了骨骼和肌肉在動物運動中所起的機械功能。這種工作的經典性，絕沒有因為玻勒利本人及其門人的企圖而受到妨害；他們企圖也用原始的機械模型來解釋神經作用和腺體分泌作用。這種企圖的明顯的武斷性和粗糙性很快地就惹起了普遍的批評；通過人們給玻勒利學派所起的「醫術物理學家」（iatro－physicists）這一個半諷刺的名字，我們至今還記得這種批評呢。同樣，人們也曾經力圖把日益豐富的純粹化學變化的知識應用到生理過程上去；這種努力的根基是穩固的，而且在綏爾威（SylVills）那兒找到了非常熱誠的代表人；但是，由於誇大了消化及發酵和最簡單無機反應之間的表面類似性，由於過於急迫地把這種類似性用於醫學目的，這種企圖也招致了一種反對，以致人們把這種早熟的努力標名為「醫術化學」（iatro－chemistry）。

在我們看來，利用物理學和化學來概括說明生命機體性質的這種開創性的努力之所以收穫不大，其原因是很明顯的。人們不僅要等到拉瓦錫（Lavoisier）的年代才能揭露化學的基本原理（這種原理後來要為理解呼吸作用提供線索，然後又為所謂有機化學的非凡發展提供基礎），而且，在伽瓦尼的發現以前，物理學規律的一個根本方面還沒被發現。想想這種事情是很有啟發性的：一種萌芽，在伏打、奧斯特、法拉第和麥克斯韋（Volta，Oersted，Fara－day，Maxwell）等人的手中將要發展成一種其重要性可以和牛頓力學分庭抗禮的理論結構，而這種萌芽卻是從一種有著生物學目的的研究中生長出來的。事實上，檢測伽瓦尼電流所必需的並在以後順利製成的靈敏儀器，如果沒有由大自然本身在高等動物的神經纖維中提供了榜樣，那麼，儘管在富蘭克林（Franklin）的手中很有成果地進行了有關帶電體的實驗，要從這種實驗進步到伽瓦尼電流的研究那也是很難想像的。

在這兒，即使只是提綱式的，要來敘述一下伽瓦尼以來的物理學和化學的驚人發展，或是列舉一下上世紀生物學一切分支的各種發現，那都是辦不到的。從馬耳皮基（MalPighi）和斯帕蘭扎尼（Spallanzani）在這所可尊敬的大學中進行的開創性工作到近代的胚胎學和細菌學，或者是從伽瓦尼本人到最近的有關神經衝動的絕妙研究，我們只要回想一下這樣的發展路線也就夠了。儘管這樣對於很多典型生物學反應的物理方面和化學方面得到了影響遠大的理解，但是，機體結構的出奇精緻性，以及機體中相互聯繫著的調節機構的多樣性，仍舊如此遙遠地超過關於無生自然界的任何經驗，以至於我們仍舊感到和以往一樣不能沿著這種路線來對生命本身得到一種解釋。事實上，最近發現了所謂病毒的毒化效應和生殖性質，當我們親眼看到這一發現在和上述問題有關的方面所引起的熱烈的科學爭論時，我們感到自己面臨著一個兩難推論，就像德謨克利特和亞里斯多德所面臨的問題一樣他尖銳。

在這種形勢下，雖然是在一種非常不同的背景上，人們的興趣又都集中到原子理論上來了。因為道耳頓（Dalton）曾經應用原子論的觀念來闡明化合物組成所服從的定量規律並得到了十分肯定的成功，所以原子理論已經變成一切化學推理的不可缺少的基礎和無往而不利的指南；不僅如此，物理學中實驗技術的驚人改進，甚至為我們提供了一些方法來研究和個體原子的作用直接有關的那些現象。這種發展徹底清除了這樣一種傳統偏見：由於我們感官的粗糙性，關於原子確實存在的任何證明都永遠是人類經驗所不能達到的。同時，這種發展所揭示的自然規律中的原子性特徵，也比物質之有限可分性這一古老學說所表示的更為深入。我們事實上已經體會到，如果要理解真正的原子現象，我們的觀念構架——既適於用來說明我們日常生活經驗的，又適於用來表述宏大物體之行動所適合的並構成所謂經典物理學這一輝煌大廈的全部定律體系的那種構架——就得從根本上加以擴展。然而，為了理解自然哲學中這種新形勢在合理態度上對於生物學基本問題所提供的可能性，必須簡單地回憶一下引導我們認識到原子理論現狀的主要發展路線。

如所周知；近代原子物理學的起點，就在於對於電的本身的原子性的認識；這種原子性，首先通過法拉第有關電解的著名研究指示了出來，而後通過稀薄氣體的美麗放電現象中電子的分出而確定了下來；在上世紀末葉，稀薄氣體的放電現象吸引了人們很大的注意。雖然J．J．湯姆孫（Thomson）的光輝研究很快地就顯示了電子在千變萬化的物理現象和化學現象中所起的重要作用，但是，直到盧瑟福（Rutherford）發現原子核為止，我們關於物質結構單位的知識一直是不完全的；盧瑟福的發現，使他在某些重元素的自發放射性增變方面的開創性工作得到了極大的榮譽。事實上，這種發現第一次對普通化學反應中的元素不變性提出了一種確鑿的解釋；在普通化學反應中，微小而沉重的原子核保持不變，只有原子核周圍的輕微電子的分布才會受到影響。此外，這種發現不但對天然放射性的起源提供了直接的理解（在天然放射過程中，我們遇到原子核本身的爆裂），而且也為元素的感生嬗變提供了直接的理解；這種感生嬗變是盧瑟福在後來發現的：用高速重粒子轟擊元素，當這些粒子和原子核碰撞時就可以使原子核發生蛻變。

要在這兒進一步討論原子核增變的研究所打開的神奇的新研究領域，就離題太遠了；關於原子核的嬗變，將是物理學家們在本屆會議上的主要論題之一。我們的論證要點，事實上不能到這種新經驗中去找，而要到下述事實中去找：除非激烈地脫離開經典的力學概念和電磁學概念，否則就不可能根據盧瑟福原子模型的已經確立的主要特點來說明普通的物理現象和化學現象。事實上，雖然牛頓力學對於開普勒（Kepler）定律所表示的行星運動的和諧性有所洞察，但是，像太陽系這種力學模型的穩定性卻和原子的電子組態的內在穩定性不盡相同；當太陽系這一類的體系受到擾動時，它並沒有返回原有狀態的趨勢，而原子的內在穩定性則是說明各元素的不同屬性所必需的。最重要的是，原子的內在穩定性已由光譜分析肯定證明了。如所周知，光譜分析曾經表明，每一種元素都具有一種由明銳譜線組成的特徵光譜；這種光譜對於外界條件的依賴性小到那樣的程度，以致我們得到了一種通過光譜儀的觀察來鑒定極遠星體的物質組成的方法。

然而，解決這種兩難推論的一個線索，早已由普朗克關於基本作用量子的發現提供了出來；這種發現，是另一種很不相同的物理研究的結果。如所周知，這種發現，是普朗克通過對物質和輻射之間的熱平衡的特點進行天才的分析而得到的；按照熱力學的普遍原理，這種熱平衡的特點應該和物質的特性完全無關，從而也應該和關於原子結構的任何特殊概念完全無關。事實上，基本作用量子的存在表明著物理過程的個體性的新面貌；這種新面貌是經典的力學定律和電磁學定律所完全沒有的；這種新面貌把各該定律的適用性本質上局限於那樣一些現象：它們所涉及的作用量大於普朗克的原子論式的新恆量所定義的單個量子。這個條件雖然在通常物理經驗的現象中是充分滿足的，但對原子中的電子行動卻是根本不成立的；而且，事實上只是由於作用量子的存在，才使電子不能和原子核熔合成一個中性的、實際上可以看成無限小的重粒子。

認識到這種情況就立刻使我們想到，每一電子和原子核周圍的場的結合，可以描述為一系列的個體過程；通過這種過程，原子將從它的一個所謂定態轉變到另一個所謂定態，並以一個單獨的電磁輻射量子的形式放出其被釋放的能量。這種觀點和愛因斯坦對於光電效應的很成功的解釋是很相近的，而且，通過弗朗克（Franck）和赫茲（HertZ）在用電子碰撞原子而激發光譜線的方面所作的優美的研究，這種觀點得到了極有說服力的證實。事實上，這種觀點不但直接解釋了巴爾末、黎德堡和里茲（Balmer，Ryd－berg，Ritz）等人所發現的那種費解的線光譜普遍定律，而且，在光譜學證據的幫助下，這種觀點也逐漸導致了原子中任一電子的定態類型的系統化的分類法；這種系統化的分類法，可以完全說明著名的門捷列也夫周期表中所表示的元素物理性質及化學性質之間的那種可驚異的關係。這樣一種關於物質屬性的說明，顯得似乎是一種古老想法的實現：把自然規律的表述歸結為純數的研究；這簡直超過了畢達哥拉斯學派（Pythagoreans）的夢想。關於原子過程之個體性的基本假設，同時涉及本質上放棄物理事件之間的細緻因果聯繫的問題；這種細緻的因果聯繫多少年來曾經是自然哲學的無可懷疑的基礎。

要回返到和因果原理能夠相容的描述方式嗎？任何這樣的問題都被多種多樣的毫不含糊的經驗所否決了。不但如此，人們很快地就證實，把想要說明原子理論中作用量子之存在的那種原始企圖發展成一種適當的、本質上是統計性的原子力學是可能的；這種原子力學，在無矛盾性和完備性方面都可以和經典力學這一理論結構充分媲美，它是經典力學的一種合理的推廣。如所周知，這種新的所謂量子力學的建立，主要應歸功於年輕一代物理學家們的天才貢獻；這種量子力學的建立，且不說它在原子物理學的和化學的一切分支中所取得的驚人成就，事實上它已經根本澄清了原子現象之分析及綜合方面的認識論的基礎。在這一領域中，就連觀察問題本身也曾受到海森伯（Heisenberg）的修正；海森伯，他是量子力學的主要創始人之一。這種修正，事實上引導人們發現了一向不曾注意的先決條件——無歧義地應用那些甚至是最基本的、描述自然所根據的概念時的先決條件。這兒的分界點在於這樣一種認識：任何按照經典物理學的習慣方式來分析作用量子所規定的那種原子過程之「個體性」的企圖，都會受到一種不可避免的相互作用的破壞，這種相互作用存在於有關的原子客體和為此目的所必需的測量儀器之間。

這種情況的一個直接後果就是，利用不同實驗裝置對原子客體的行動所作的一些觀察，一般並不能按照經典物理學的通常方法來相互結合。特別說來，以在空間和時間中標示原子中的電子為目的的任何假想過程，將不可避免地帶來原子和測量裝置之間的一種本質上不可控制的動量交換和能量交換，這種動量交換和能量交換將把作用量子所對應的原子穩定性的顯著規律性完全消除掉。反之，這種規律性的說明蘊涵著能量和動量的守恆定律，而這種規律性的任何考察，都會在原則上帶來對原子中個體電子的時空標示的放棄。於是，在這種互斥條件下得到的經驗，顯示著量子現象的不同方面；這些方面絕不是不相容的，必須認為它們是以一種新穎的方式而「互補」的。事實上，「互補性」這種觀點，絕不意味著隨便地放棄對於原子現象的分析；相反地，它表示著這一領域中的豐富經驗的一種合理綜合；這一領域超出了因果性這一概念的自然適用界限。

雖然這種探究的進行受到了相對論這一偉大範例的鼓舞，而正是通過揭露無歧義地應用一切物理概念的出人意表的先決條件，相對論才開闢了概括表面上不相容的現象的新可能，但是，我們必須知道，在近代原子理論中所遇到的形勢是在物理學史上沒有先例的。事實上，通過愛因斯坦的工作，經典物理學的觀念構架得到了一種可驚異的統一性和完備性；整個這一觀念構架建立在這樣一種假設的基礎上：可以把物質客體的行動和它們的觀測問題區別開來；這種假設和我們在物理現象方面的日常經驗適應得很好。要想在這種不能無限制應用的常見的理想化方法方面為原子理論尋求類似的教益，我們事實上必須到心理學這一類的完全不同的科學分支中去找，甚至要到前輩思想家如釋迦牟尼和老子所遭遇的那樣一些認識論問題中去找；當他們企圖調和我們在宇宙大舞台中既作為觀眾又作為演員的兩種不同地位時，他們就遇到這種問題。但是，承認在相隔如此遙遠的人類興趣領域中出現著的問題之間會有一種純粹邏輯方面的類似性，絕不意味著要在原子物理學中接受和真正科學精神不相容的任何神秘主義；相反地，這種認識鼓勵我們去檢驗一個問題：當把我們的最簡單的概念應用於原子現象時，我們會遇到一些出人意料的佯謬問題，這種佯謬問題的直截了當的解決是否有助於澄清其他經驗範圍中的思維困難？

有不少的啟示使我們在生命或自由意志和原子現象的那樣一些特色之間來尋找一種直接的關聯；為了理解那種特色，經典物理學的構架顯然是太狹窄的。事實上，可以指出生命機體的反應有很多特徵，例如視覺的靈敏性或是穿透性輻射對於基因突變的誘導；這種特徵無疑地和個體原子過程後果的一种放大過程有關；這种放大過程和作為原子物理學的實驗技術基礎的那種過程相類似。但是，生物機體及調節機構的精緻性遠遠超過預期的情況，這一認識仍然不能幫助我們說明生命的特徵。事實上，所謂生物學現象的整體方面和目的方面（holistic and finalistic aspects），肯定不能直接用通過作用量子的發現而揭露出來的原子過程的個體性特色來加以解釋；倒不如說，量子力學的統計本質，初看起來甚至是增加了理解真正的生物學規律性的困難。然而，在這種兩難推論中，原子理論的普遍教益就啟示我們，要想把物理學定律同適用於描述生命現象的概念調和起來，唯一的途徑就是要檢查觀察物理現象和觀察生物現象的條件的本質區別。

開宗明義，我們就得注意這樣一件事實：如果我們用一種實驗裝置來研究構成一個生命機體的那些原子的行動，而一直達到原子物理的基本實驗對單個原子所進行的研究的那種程度，那麼，任何一種這樣的實驗裝置，就都會排除保持該機體的活命的可能。和生命有著不可分割的聯繫的那種無休止的物質交換過程，甚至意味著不能把一個生命機體看成在說明物質的一般物理性質和化學性質時所考慮的那種明確定義的物質體系。事實上，我們逐漸領會到，特有的生物學規律性代表著一些自然規律，它們和用來說明無生物體的屬性的自然規律之間存在著互補關係，就如同在原子本身屬性的穩定性和組成原子的粒子的那些可以用時空坐標來描述的行動之間存在著互補關係一樣。在這種意義上，生命本身的存在，不論就它的定義還是就它的觀測來說，都應該看成生物學的一個不能進一步加以分析的基本假設，就如同作用量子的存在和物質的終極原子性一起形成原子物理學的基本根據一樣。

可以看到，這樣一種觀點距離機械論和活力論的極端學說是同樣遙遠的。一方面，它認為把生命機體和機器相互比擬是不適當的，不管這種機器是古代醫術物理學家所設想的比較簡單的結構還是最精密的近代放大機構；如果我們無批判地強調這種近代放大機構，我們就將得到「醫術量子學者」的綽號。另一方面，這種觀點認為，企圖引入和已經很好地確立了的物理規律性及化學規律性不相容的某種特殊的生物學定律，那也是不合理的；這種企圖在今天又有所抬頭，因為人們受到胚胎學上關於細胞成長和細胞分化的新奇經驗的影響。在這方面我們必須特別記住，在互補性的構架中避免任何這種邏輯矛盾的可能性，正是由這樣一件事實提供出來的：生物學研究的任何結果，都不可能用不同於物理學及化學的方式來清楚地加以描述，這正如即使是說明原子物理學中的經驗最後也得依靠那些在意識上記錄感覺所不可缺少的概念一樣。

最後這種說法又把我們帶到心理學領域中；在這種領域裡，科學研究中的定義問題和觀察問題所帶來的困難，遠在這些問題在自然科學中尖銳化起來以前就已經清楚地被認識到了。事實上，在心理經驗中不可能區分現象本身及現象的感知，這種不可能性很明顯地要求人們放棄按照經典物理學的模型來進行簡單的因果描述；而且，用「思想」、「感覺」這一類的字眼來描述這種經驗的那種用法，也極有啟發性地使我們想起在原子物理學中遇到的互補性。我不準備在這兒談到更多的細節；我只要強調，正是這種在內心中明確區分主觀和客觀的不可能性，提供了表現意志的必要的自由。然而，像人們時常提議的那樣將自由意志和原子物理學中的因果性界限更直接地聯繫起來，那卻是和我在這兒關於生物學問題所說的那些話的基本傾向沒有共同之處的。

在結束這一演講時我願意指出，這次集會是要紀念一位偉大的先驅，他的根本性的發現對於物理學和生物學都是十分重要的；這次集會給物理學家和生物學家提供了值得歡迎的進行有益討論的機會；因此，作為一個物理學家而竟然遠遠超出了自己的特定科學領域，我希望大家原諒我的冒昧。

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