為 什 麼 是 薛 丁 格 ？
◎台大物理系教授 高涌泉
奧地利量子物理學家薛丁格（Erwin Schrödinger, 1887-1961）在一九四四年發表這本小書《生命是什麼？》時，剛好是二十世紀顯學之一分子生物學起步的時候，不少重量級的分子生物學者都曾表示他們受薛丁格這本書影響很深。例如發現ＤＮＡ結構的華生（J. Watson）和克里克（F. Crick）皆曾說過，透過這本書他們才體認到，探索基因的結構雙螺旋鏈不但會很有趣，而且非常重要。另一位生物學家古爾德（S. J. Gould）也說，毫無疑問地，《生命是什麼？》是二十世紀生物領域最重要的書籍之一。為什麼物理學家能夠寫出生物學的經典名著呢？為什麼是薛丁格呢？如果不是薛丁格，其他物理學家做得到嗎？透過對這些問題的思索，我們可以更深刻地理解《生命是什麼？》這本書的意義。首先我們得先多了解一下薛丁格在物理學的貢獻。
知名的英國科學雜誌《物理世界》（Physics World），在一九九九年十二月號千禧年特刊按照對人類科學的貢獻，作了一份物理學家排行榜。它是由全球一百三十多位有代表性的物理學家，每人票選五位，統計出來的。月刊編輯強調，他們沒有在問卷中明示要從哪一個年代中選取，所以我們其實可以在最有貢獻的物理學家之前加上「有史以來」四個字。薛丁格在這名單中排名第八。在他前面依序是大家熟知的愛因斯坦，牛頓，馬克士威（J. C. Maxwell），玻耳（N. Bohr），海森堡（W. Heisenberg）， 伽利略，以及費曼（R. Feynman）。狄拉克（P. A. M. Dirac）與薛丁格同票數，並列第八。這種排名的遊戲相當主觀，名次不重要，因為上榜的學者早已是眾所公認的物理界巨擘。薛丁格能躋身愛因斯坦與牛頓之列，是因為他創建了波動力學。他和建立矩陣力學的海森堡共享發現量子力學的榮耀。量子力學的重要性何在？依狄拉克的說法，量子力學出現之後，「所有的化學和大部分物理之數學理論背後所需的原理已經完全清楚了」。
量子力學其實有多種數學表現形式，各有所長。但在處理原子分子的問題上，一般公認薛丁格在一九二六年寫下的波動方程式是最佳理論工具。每一位想要了解微觀世界的學生，都得熟悉薛丁格方程式。薛丁格就因為他的方程式得以永垂不朽。具體來說，薛丁格方程式是一個微分方程式。從這個微分方程式我們可以解出一個波函數，用來描述電子的量子行為。所以薛丁格方程式彷彿是一把萬能鑰匙，幫我們精確地掌握原子分子中電子的行為。
我在前頭一一列出物理偉人的名字，有個用意，那就是指出薛丁格與他們有所不同：他是唯一過了三十五歲才有重要成就的學者。其他人都在二十來歲就已鋒芒畢露。以同樣因量子力學而入榜的海森堡和狄拉克來說，他們的成名作在二十四歲以前就已完成，而薛丁格在一九二六年已經三十八歲了。他那時雖已是蘇黎士大學教授，但尚未有任何驚世之作。所以難免有些人會認為薛丁格只是應運而起，不像其他人有過人的天才，能夠創造時勢。這樣的想法太過膚淺，低估了「天才」這個概念的複雜性。其實真正的高手對薛丁格的評價是很高的。有人曾向狄拉克問起對薛丁格的看法，狄拉克回答：「我會把他緊排在海森堡之後，不過從某方面講，薛丁格的腦力還要勝過海森堡，因為海森堡有實驗數據的幫助，而薛丁格只能靠他的頭腦。」
薛丁格真正特殊之處在於，他的不朽之作係創作在學問見識已臻成熟之後。所以他的文章有一種完整風格，不像一般有開創性的物理文章，難免有些許疏漏或錯誤。薛丁格學養的深度與廣度，在一流物理學家之中是少見的。比方說，他非常熟悉哲學家叔本華（Schopenhauer）的作品，一度曾想全力投入哲學領域。他也研讀過達爾文的《物種原始》一書，薛丁格在自傳中稱自己是達爾文的熱烈追隨者。薛丁格的父親雅好植物學，而且他大學時期唯一的好友主修植物學，薛丁格因受他們影響而對生物學有深入的了解。其實當時因為宗教理由，達爾文的進化論還被排除在生物課之外。所以薛丁格能深刻地理解達爾文，在物理學家中固然少見，恐怕也不是每一位生物學家都具備的。
一九四三年二月，二次世界大戰仍酣，當時五十五歲的薛丁格在都柏林的三一學院給了一系列通俗科學演講。薛丁格時任愛爾蘭都柏林高等研究所理論物理教授。他是因為逃避納粹政權，才在一九三九年接受邀請至都柏林上任。演講後第二年，劍橋大學出版社把薛丁格的演講內容《生命是什麼？》發行出書。薛丁格這一系列演講的重點在於論述在當時仍然非常神祕的基因，其實是一種「非週期性晶體」（aperiodic crystal）。用大家比較熟悉的名詞來說，就是一種由多個原子組成的分子。他先說明細胞核中的染色體經由有絲分裂與減數分裂，主宰生物成長與遺傳。因為成長和遺傳有很高的規律性，就好像照著劇本在演出，我們可以假設染色體帶有一種稱為基因的物質，生命的劇本就銘刻其上。當時，有篇德布呂克（M. Delbr?ck ）、鐵莫菲耶夫（N. W. Timof??ff）與齊默爾（K. G. Zimmer）三人所寫的研究論文，說明從Ｘ光如何影響基因突變的實驗推知，基因所含原子數目並不多，僅約上千個原子而已。如果攜帶遺傳密碼的基因只有上千個原子，則根據古典統計力學，在熱擾動的影響下，基因不可能是穩定的，這樣一來就不能夠解釋有高度穩定性的遺傳機制；除非，基因中的原子能藉由化學鍵而形成分子。化學家早就提出化學鍵的觀念，而且廣泛使用。但是化學鍵理論要在量子力學出現之後才有完備的基礎。由薛丁格方程式推導出化學鍵理論的是兩位物理學家海特勒（W. Heitler）與倫敦（F. London）。薛丁格在書中多次強調，分子的穩定性只有在量子力學架構中才有圓滿的解答。薛丁格在書中用了「非週期性晶體」一詞來描述基因，是因為在晶體中把原子結合在一起的力量與化學鍵，從量子力學的角度看，並沒有本質上的不同。所以他才把分子及固體與晶體都對等在一起。因為遺傳機制的穩定性奠基於分子的穩定性上，所以薛丁格的主要結論就是，要了解基因的物質基礎，不能沒有量子物理。當然，薛丁格留下一個大問題，那就是：基因的具體分子結構為何？許多年輕人因此而受到啟發，投入分子生物學研究。這些人當中，不少人後來成了分子生物學大師。
從歷史的角度來看，我們可以說，《生命是什麼？》在一個絕佳的時機宣告了一個新時代的來臨。也就是說，想要深入了解生命現象之物質基礎的時機已然成熟。《生命是什麼？》不是長篇巨著，裡頭談到的生物學，以及基因的相關知識，也非薛丁格自己的創見。但是薛丁格掌握了問題的關鍵，深入淺出又扼要地引導讀者到達知識的前沿，沒有深厚的學術功力是做不到的。所以《生命是什麼？》成為二十世紀科普經典之一，實在當之無愧。
我們不要忘記，《生命是什麼？》是一本出版在五十六年前的老書，裡面的許多觀念現在多已非常細膩地被進一步闡述和釐清。在本書中第一部〈生命是什麼？〉第六章「有序、無序和熵」提到有機體倚賴負熵（feed on negative entropy）來維持生命狀態，名化學家鮑林（L. Pauling）和裴魯茲（M. Perutz）就抱怨這樣的講法太過簡略，無法令人滿意。所以讀者在閱讀這一章時，要了解薛丁格在這此的解說是比較弱的。回到為什麼是薛丁格這個問題，我認為答案有兩個。一是薛丁格的興趣廣泛，學養淵博，又有前瞻的眼光，所以能跨越學科間的障礙，敏銳地宣告學科統合的時代已經來臨。像薛丁格這樣真正的通才，不論是當時或現在，都很少見。因此我們可以說，這種大格局的演講，除了薛丁格，其他人是給不出來的。第二個原因是，量子力學在解釋生命現象上不可或缺，而薛丁格自己是量子力學創建者之一，所以我相信薛丁格在說明海特勒和倫敦的化學鍵理論有何重要時，一定有種不可言喻的驕傲與滿足感。因此，薛丁格比其他任何物理學家更有資格來談「生命是什麼」這個題目。
都柏林三一學院在一九九三年九月辦了一場研討會，慶祝「生命是什麼？」系列演講五十週年。多位知名的學者從各自的專業領域，嘗試以薛丁格原來的演講風格，展望生物學未來五十年的遠景。當然也有一些人選擇回顧《生命是什麼？》在歷史上的意義。其中古生物學家古爾德在承認這本書的重大影響力之餘，也批評薛丁格窄化了「生命是什麼」這個命題的意義。他認為，我們在討論生命時，不應自限於生命現象的物理或化學機制。我們能徹底了解基因當然是非常重要的成就。但不應忘記，生命是由演化而來，而演化過程多半是偶然而非必然，演化的結果往往是不可預測的。古爾德認為，「生命是什麼」其實也是個歷史問題。光從普適的物理定律去看待生命現象，不可能看清楚生命的全貌。我想薛丁格如果今天還健在，他也會同情古爾德的抱怨。不過我也相信薛丁格無意引導讀者接受狹隘的化約觀點。我們只能說他用了一個太有吸引力卻很難面面俱到的題目。所以在未來，我們還要以更開闊的視野來繼續探究薛丁格在半世紀前沒有圓滿完整回答的問題。
留言列表