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第四章量子力学的证据
你的如火焰般炽热的奔放的想象力
静默成一个印象
一个比喻
歌德一经典物理学无法解释的持久性
x射线的精密仪器经过生物学家和物理学家的巧妙运用
基因的体积的上限已经成功的降低了
并且降低的数值比第二章第九节的估计数字还要低很多
然而
现在有一个问题我们不得不去面对
基因结构中只有少量的原子
一般是一千个
甚至比这还要少
然而令人疑惑的是
基因的持久不变特性总是有规律的表现出来
那么这两方面相互矛盾的事实该如何通过统计物理学的观点得到解释呢
请允许我把这个令人惊讶的奇迹叙述的更加详细生动些吧
在阿布斯堡王朝时期
有一些成员长着非常难看的下唇
俗称哈布斯堡醇
维也纳皇家学院的科学家们在王室的资助下
仔细的研究了这种醇的遗传基因
最后得出结论
认为这些特征是正常唇形的一个孟德尔式的等位基因
如果比较一下十六世纪的这个家族中某些成员和他的十九世纪的后代的肖像
我们就可以毫不犹豫的得出结论
导致这些畸形特性的基因结构已经世代相传了好几百年了
研究还发现
尽管每一代的细胞分裂次数不多
但是每次细胞的分裂几乎都是百分之百的复制
此外
前面由x射线实验测得的原子数目和这个基因结构所包含的原子数目很有可能是同一个数量级
在这个过程中
基因一直处于三十六点六七摄氏度左右的温度下
但是却能保持几个世纪之久而不受热运动的干扰
那么对于这一点
我们又应该如何解释呢
对统计力学的情况仔细考量之后
十九世纪末的一位物理学家做出了回答
这些物质结构只能是分子
对于这些原子集合体的存在
以及它们的高度稳定性
当时的化学界已经有了深入的了解
只不过这种了解还停留在纯粹经验上
因此人们对分子的性质并没有彻底掌握
对于分子保持一定的形状
维持原子间强健的本质
当时的化学家几乎是一无所知的
所以
尽管上面的回答是正确的
但是他只是凑巧把这种不知原由的生物学稳定性归结到了化学稳定性上
这一点是没有任何理论价值的
虽然两种表面上相似的特性是依据同一原理这一观点得到了初步证明
但是只要人们对这个原理本身还一无所知
那么这个证明就是值得怀疑的
二
可以用量子论来解释
从现在的研究中
我们可以知道
量子论与遗传机制有着密切的关系
后者建立在前者的基础之上
马克思
普朗克在一九零零年发现了量子理论
德弗里斯
柯林斯和丘歇
马克一九零零年重新发现孟德尔的论文
以及德弗里斯一九零一年至一九零三年发表的关于突变的论文
可以说是现代遗传学的建立和开始
因此可以看出
这两大理论的产生几乎是同时的
而且他们在发展到一定程度后
才会相互发生联系
在量子论方面花费长达二十五年的时间以上
w
海特勒和f
伦敦一九二六到一九二七年才给出化学键量子论的普遍原理
海特勒
伦敦理论包含了量子论最新最精细的复杂概念
正是由于以上原因
我们不得不用微积分来进行描述
企图直接明了的表达突变同量子跃迁之间的联系
并把最为关键的部分阐释清楚
这就是我们在本书中所要努力去做的
三 量子论
不连续状态
量子跃迁
量子论之前的流行观点认为自然界中只存在连续性
除此之外的观点都是荒谬的
而在大自然之书里发现了不连续性的特点
彻底推翻了之前的观点
这恐怕是量子论的最大启示
能量是我们想到的第一个例子
经典理论认为
在一定的范围内
一个物体自身的能量可以不断的被改变
比如说一个钟摆
它摆动的速度由于受到空气的阻力
慢慢的减缓下来
令人惊奇的是
具有原子大小的微观系统的行为是迥然不同的
这是量子论所证明了的观点
由于一些理由
我们无法在这里详细论述
所以必须假设有一个具有不连续能量的小的系统
这种不连续的能量我们称为能级
于是
我们把从一种不连续状态转变为另一种相反的状态
称之为量子的大跃进
然而
我们津津乐道的能量并不是系统的唯一特征
再一次拿钟摆作为例子
想象一下
它可以做任何运动
天花板上悬空的绳子末端挂上一个重球
使得这个重球能在南北东西等其他任何方向上摆动
也可以做圆形或椭圆形的摆动
这个时候
使用一个风箱慢慢的吹动这个球
这样的话
就可以随心所欲的使他从运动的一种状态连续的转变到另外一种状态
且不管另一种状态是怎样的
相对于微观系统来说
这些特征或类似的其他特征是不断发生变化的
它们就像能量一样
是量子化的
于是就会出现这样的情况
有许多原子核
包括它们周围的电子
当彼此之间相互吸引而形成一个小的系统时
他们是不能随意建构成一种假设的模型的
不过
他们却可以形成许多不连续的状态系列
能量是这些特征中最为重要的部分
因此
我们通常把这些状态称为能级
但是不要忘记一点
我们还需要这些能量以外更多的东西
才能形成对这些状态的完整描述
因此
较为客观的说法是
在系统中的全部粒子中
状态是一种稳定模型
量子的跃迁是指由一种稳定的模型变化为另一种模型
如果后羿模型处于较高的能级
具有更为强大的能量
那么要想使得这种转化成为可能
就必须向外界借助相当于两个能级间的能量差额的能量作为动力