第四章 量子力学的证据46

    你高高腾起的精神火焰默许了一个比喻，一个意象。

    ————歌德

    32.经典物理学无法解释的持久性

    借助于X射线极为精密的仪器（物理学家还记得，该仪器在30年前揭示了晶体详细的原子晶格结构），生物学家和物理学家经过共同努力，最近成功降低了导致个体某一宏观形状的显微结构的尺寸————“基因的尺寸”————的上限，并使其远远低于第19节得出的估计值。我们正严肃面对着这样一个问题：从统计物理学的观点来看，基因结构似乎只包含着较少的原子（量级为1 000，甚至还可能少得多），却以近乎奇迹的持久性表现出了非常规律的活动，如何能使这两方面的事实协调起来呢？

    让我再次把这种令人惊奇的状况说得更鲜明些。哈布斯堡王朝的几位成员有一种特别难看的下唇（哈布斯堡唇）。在王室的资助下，维也纳皇家学院认真研究了它的遗传，并连同历史肖像一起发表了。事实证明，这种特征是正常唇形的一个真正孟德尔式的“等位基因”。如果考察生活在16世纪的一位家族成员的肖像和他生活在19世纪的后代的肖像，我们也许可以确信，决定这一畸形特征的物质基因结构已经世代相传了几个世纪，在其间为数不多的细胞分裂中，每一次都被忠实地复制下来。此外，这个作为原因的基因结构所包含的原子数目很可能与X射线试验测得的原子数目同数量级。在整段时间里，基因的温度一直保持在98华氏度左右。数个世纪以来，它始终未受热运动无序趋向的干扰，我们应当如何理解这一点呢？47

    如果上个世纪末的一位物理学家只准备用他所能解释并能真正理解的那些自然定律去回答这个问题，他将不知所措。事实上，对统计学的状况稍作思考之后，他也许会回答说（我们将会看到，这种回答是正确的）：这些物质结构只可能是分子。关于这些原子集合体的存在性以及有时高度的稳定性，当时的化学已有广泛了解。但这种了解是纯经验的。分子的本性还不为人所知————对于所有人来说，使分子保持形状的原子之间的强键完全是一个谜。事实证明，这个问答是正确的。但如果只把这种令人费解的生物学稳定性追溯到同样令人费解的化学稳定性，它的价值就很有限。虽然证明了两种表面上相似的特征是基于同一条原理，但只要这一原理本身是未知的，该证明就总是不牢靠的。

    33.可以用量子论来解释

    对于这个问题，量子论提供了解释。根据目前的了解，遗传机制是与量子论密切相关的，甚至建立在量子论的基础之上。量子论是马克斯·普朗克（Max Planck）1900年发现的。而现代遗传学可以追溯到德弗里斯、科伦斯和切尔马克（1900年）重新发现孟德尔的论文，以及德弗里斯讨论突变的论文（1901——1903年）。因此，这两大理论几乎是同时诞生的，难怪它们需要成熟到一定程度之后才会产生关联。逾1/4个世纪之后，直到1926——1927年，海特勒（W.Heitler）和伦敦（F.London）才概述了化学键量子论的一般原理。海特勒-伦敦理论包含了量子论最新进展（被称为“量子力学”或“波动力学”）的最为复杂精细的观念。不用微积分几乎不可能进行描述，或者至少要另写一本这样的小册子。好在全部工作现已完成，能够用来澄清我们的思想，我们现在似乎可以更加直接地指出“量子跃迁”与突变之间的联系，并立即分辨出最明显的事项。这正是我们在这里试图做的事情。48

    34.量子论————不连续状态————量子跃迁

    量子论最惊人的发现是在“自然之书”中发现了不连续特征，而根据当时的观点，任何非连续的东西似乎都是荒谬的。

    第一个这样的例子与能量有关。宏观物体是连续改变能量的，比如摆的摆动因空气阻力而逐渐减慢。很奇怪，事实证明，必须承认原子尺度系统的行为是不同的。根据一些我们无法在这里详述的理由，必须假定一个小的系统因其自身的性质，只能拥有某些不连续的能量，即它所特有的能级。从一种状态转变为另一种状态是一件相当神秘的事情，通常被称为“量子跃迁”。

    不过，能量并不是系统的唯一特征。再以我们的摆为例，不过是考虑一个可以作各种不同运动的摆，在天花板上悬下一根绳子，系上一个重球，可以让它沿南北向、东西向或任何其他方向摆动，或者作圆形或椭圆形摆动。用风箱轻轻吹拂这个球，便能使它从一种运动状态连续转变到任一种运动状态。49

    对于微观系统来说，诸如此类的特征————对此我们无法详细讨论————大都是不连续变化的。它们就像能量那样是“量子化”的。

    结果是，当若干原子核，包括其电子侍卫，彼此靠近形成“一个系统”时，原子核凭借其自身本性是无法选择我们所能设想的任意构形的。它们本质上只能从大量不连续的“状态”中进行选择。 注16 我们通常把这些“状态”称为级或能级，因为能量是与这种特征非常相关的部分。但要知道，完整的描述要包括远比能量更多的东西。认为一种状态意味着所有微粒的某种确定构形，这种看法差不多是正确的。

    从一种构形转变为另一种构形就是量子跃迁。如果第二种构形有更大的能量（“是高能级”），那么外界至少要为该系统提供两个能级之差，才能使转变成为可能。它也可以自发变到低能级，通过辐射来消耗多余的能量。

    35.分子

    在原子选定的一组不连续状态当中，或许存在但并不必然存在一个最低能级，它意味着原子核彼此紧密靠拢。这种状态下的原子便构成了一个分子。这里要强调的是，分子必定具有某种稳定性；除非外界至少把“提升”至下一个较高能级所需的能量差提供给它，否则构形是不会改变的。因此，这种定量的能级差定量地决定了分子的稳定程度。我们将会看到，这一事实与量子论的基础（即能级的不连续性）的联系是多么紧密。50

    请读者注意，这些观点已经经过了化学事实的彻底检验，它们可以成功地解释化学原子价的基本事实以及关于分子结构、分子的结合能、分子在不同温度下的稳定性等方面的诸多细节。我指的是海特勒-伦敦理论，正如我所说，我无法在这里对其详加考察。

    36.分子的稳定性依赖于温度

    我们这里只考察分子在不同温度下的稳定性，它与我们的生物学问题关系最大。假定我们的原子系统开始时处于它的最低能态。物理学家称之为绝对零度下的分子。要... -->>
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