Что такое жизнь — Шредингер Эрвин. Эрвин Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физика? Жизнь с точки зрения физики шредингер кратко

Книга Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" впервые вышла в Англии во время войны в 1944 г., после чего выдержала без изменений несколько изданий и вызвала оживленные отклики в зарубежной научной и широкой прессе. Один восторженный рецензент высказал даже мнение, что она создала в науке целую эпоху, и сравнил ее в этом отношении с такими трудами, как работы зачинателя статистической термодинамики Вилларда Гиббса и основателя научной генетики Грегора Менделя.

С такой высокой оценкой книги трудно согласиться, и несомненно, что она была вызвана отчасти как несколько сенсационным заглавием книги, так и широкою известностью автора - одного из крупнейших ученых нашего времени. Чтобы читателям, не специалистам в области современной физики, было ясно, кто такой автор этой книги, укажем, что, перечисляя творения, эквивалентные "Началам" Исаака Ньютона, академик С. И. Вавилов наряду с теорией атомов и электронов и с теорией относительности А. Эйнштейна указывает также на квантовую (волновую) механику, создателем которой был Шредингер. В знак признания его выдающихся трудов Э. Шредингер был избран в 1934 г. почетным членом Академии наук СССР.

Поставленный в заглавии вопрос - "Что такое жизнь?", а также философский эпилог- "О детерминизме и свободе воли" - также не могли не привлечь внимания научных и вообще широких читательских кругов.

Однако книга Шредингера имеет большое значение и по существу. В чем же состоит ее ценность?

Шредингер в своей книге, в форме увлекательной и доступной как для физика, так и для биолога, открывает читателю новое, быстро развивающееся в науке направление, в значительной мере объединяющее методы физики и биологии, но бывшее до сих пор доступным лишь весьма узкому кругу лиц, располагающих специальной литературой.

Все более глубокое проникновение в строение живой клетки потребовало в наше время привлечения ряда методов и понятий современной физики. Это породило "настоящую" биофизику, аналогичную возникшей ранее биохимии, сделавшей уже большой вклад в развитие наших знаний о жизни. Напротив, применение физических методов (в первую очередь оптических, рентгеновских и пр.) до сих пор играло почти исключительно подсобную роль, помогая только обнаружить некоторые биологические факты без соответствующего физического и общебиологического их истолкования. Это была физика для биологии, но не физика в биологии. В этом отношении биофизика в своей значительной части была глубоко отлична от биохимии, которая не ограничивалась введением новых методов, но давно перешла к анализу существа самых сокровенных химических превращений, протекающих внутри организма. Подобного углубления в сущность жизненных явлений биофизика достигла только в небольшой степени (например, в изучении электрофизиологических процессов, митогенетического излучения и т. п.), в силу чего она по большей части сохраняла положение подсобной науки, хотя и способствующей раскрытию тех или иных закономерностей, но не играющей вполне самостоятельной роли в деле познания жизненного феномена.

И только в наши дни физика вступила в область биологии с целью раскрытия тех низших уровней в организации живой материи, понимание которых является необходимой предпосылкой будущего, более полного и глубокого представления о жизни вообще.

Книга Шредингера представляет собой, строго говоря, первые связные результаты этого направления, куда несомненно будет внесено еще много поправок, но которые в основном намечают определенные очертания нового научного здания "настоящей" биофизики.

Если бы книга Шредингера ограничивалась одним только изложением приведенного, то и этого было бы достаточно для признания ее значения. Но Шредингер вносит в это новое направление науки о жизни большой личный вклад, что в значительной степени оправдывает те восторженные оценки, которые его книга получила в заграничной научной прессе.

Наряду со многими, более частными соображениями Шредингер выдвигает чрезвычайно широкую и плодотворную мысль. Он намечает связь двух биологических "загадок", а именно: вопроса о характере наследственных структур и, казалось бы, столь далекого от него вопроса об отношении организмов ко второму закону термодинамики. Последний, хотя и не "отменяется" для живых существ, но в значительной степени ими "обходится". Шредингер показывает, что важнейшим условием этого (если не причиной) служит особая специфическая структура центрального аппарата клетки - хромосом. Хромосомы по своему строению способны, как "механическая" (в противоположность "термодинамической") система необычайной сложности, непосредственно поддерживать закономерное течение многих биологических процессов, обеспечивая минимальные размеры "регулирующего аппарата" клетки.

Все это делает книгу Шредингера весьма ценной, несмотря на значительные ее недостатки, на которых мы остановимся ниже. Именно эта положительная сторона небольшой книги Шредингера и привлекла к себе внимание ряда крупнейших ученых - Холдэна, Меллера и Дельбрюка, посвятивших ей большие рецензии. Будет полезно вкратце познакомить читателя с этими рецензиями.

В своем отзыве о книге Шредингера крупнейший английский биолог и прогрессивный общественный деятель проф. Дж. Б. С. Хол-дэн дает ей весьма высокую оценку; в то же время он делает и ряд критических замечаний. Прежде всего он справедливо отмечает, что принимаемый Шредингером взгляд на хромосому как на гигантскую молекулу ("апериодический кристалл" Шредингера) был впервые выдвинут советским биологом проф. Н. К. Кольцовым, а не Дельбрюком, с именем которого Шредингер связывает эту концепцию.

Переходя к существу вопроса, Холдэн считает, что если рассматривать ген как молекулу, обладающую свойством катализатора, то, вопреки мнению Шредингера, даже к единичному гену вполне применимы принципы статистической механики. Отдельная молекула катализатора может в благоприятных условиях превращать более чем 100 тысяч молекул субстрата в секунду, а это - цифры, вполне допускающие статистический подход при исследовании. В целом Холдэн полагает, что хотя представления Дельбрюка и очень полно отвечают известным фактам, они, как это неоднократно наблюдалось в квантовой механике, должны сильно измениться. Он ссылается на неопубликованную работу Ли и Котчесайда (представленную английскому генетическому обществу), в которой авторы находят, что большинство летальных мутаций, вызываемых облучением сперматозоидов Drosophila, является следствием разрыва хромосом с последующим их восстановлением, а, например у Tradescaniia, такой разрыв требует около 17 ионизации на хроматиду. С другой стороны, Фаберже и Биль обнаружили, что большая частота мутирования одного очень неустойчивого гена заметно понижается при высокой температуре. "Возможно,-заключает Холдэн,- что в хромосомах происходят более сложные явления, чем можно себе представить даже на основании принципов волновой механики".

Отметив, что целого ряда биологических проблем Шредингер не поднимает вовсе, Холдэн указывает в частности на проблему регуляции нарушений в организме, которую некоторые биологи находят невозможным объяснить материалистически, и высказывает надежду, что в дальнейшем Шредингер займется этими вопросами.

Заканчивая рецензию серьезной критикой философских высказываний Шредингера (о чем скажем ниже), Холдэн в целом все же дает высокую оценку книге, которую, как он говорит еще в начале, необходимо прочитать каждому генетику и которая своей постановкой вопроса об использовании организмом отрицательной энтропии может обогатить и физиолога.

Сходные мысли по поводу книги Шредингера высказывает известный американский генетик Г. Дж. Меллер. По его мнению, к весьма важным особенностям живой материи, рассмотренным в книге Шредингера, следует добавить еще одно более глубокое и не затронутое автором основное свойство гена - его способность размножаться, удваиваться. Способность эта лежит в основе таких кардинальных биологических явлений, как рост, размножение и, наконец, эволюция живых существ.

Однако будет большим упрощением рассматривать эту способность гена как простой автокатализ, как это считал, например, Троланд. Ген способен к удвоению и сохраняет эту способность и после мутирования, то есть даже принявши иную форму и проявляя совершенно новые свойства в своем влиянии на развитие организма. Ни у одного автокатализатора такая способность пока неизвестна. Любые гены и их мутации могут формировать органический субстрат в новые, подобные им гены. Именно это обеспечивает самую возможность эволюции, путем накопления и размножения мутаций, испытываемых генами. С этой точки зрения гораздо менее важным для понимания существа жизни является тот факт, что мутации - это именно квантовые скачки, ибо "организация" ("порядок" по Шредингеру) в специфически биологическом смысле - это в первую очередь результат удвоения генов и отбора. Биологическая "организация" отнюдь не так сильно связана с накоплением того, что биологи называют потенциальной энергией ("отрицательная энтропия" Шредингера).

Основная наблюдающаяся тенденция в развитии живой материи, по мнению Меллера,- обеспечение максимальной безопасности и широкое распространение своего типа организации. Это часто достигается такими качественными путями, которые непосредственно не увеличивают "питания отрицательной энтропией", но в дальнейшем создают огромные возможности для утилизации внешней энергии. Таково, например, развитие интеллекта у физически слабого существа. Здесь контроль над энергией в интересах системы важнее, чем увеличение содержания энергии в самой системе.

В целом Меллер считает, что, несмотря на неполноту и некоторые несущественные недостатки, книга Шредингера весьма ценна тем, что помогает разрешить некоторые проблемы, интересующие вообще всякого ученого.

По мнению Макса Дельбрюка, высказанному в его рецензии, книга Шредингера не решает вопроса, стоящего в ее заглавии - "Что такое жизнь?". Задав вопрос, как могут физика и химия объяснить процессы в живом организме, протекающие в пространстве и времени, автор разбирает другой, несомненно важный, но гораздо менее существенный вопрос - могут ли физика и химия объяснить явления, протекающие в организме. Тем не менее, эта книга представляет собой как бы фокус, в котором сходятся интересы физиков и биологов.

"Читателям, не знакомым со специальными высказываниями Бора, - говорит Дельбрюк, - может показаться, что физическая природа процессов внутри живой клетки разумеется сама собой, и им трудно оценить значение задачи, стоящей в начале книги перед "наивным физиком". Дельбрюк считает, что обсуждение Шредингером типов законов природы ("статистических" и "динамических") может оказать "проясняющее влияние на биологическое мышление".

Резюмируя приведенные отзывы, следует сказать, что все рецензии подчеркивают большое значение книги Шредингера. И действительно, эта книга, как уже говорилось, развивает новое и чрезвычайно важное направление в науке, объединяющее физику и биологию и имеющее широкие перспективы в дальнейшем. Эта попытка синтеза физики и биологии в разрешении основной проблемы жизни тем более интересна, что она окрашена оригинальными, пусть неизбежно субъективными, представлениями такого крупнейшего современного ученого, как Шредингер. Вопрос об отношении живых организмов к принципу энтропии получил в книге Шредингера новое освещение, которое, вероятно, даст дальнейший толчок к обсуждению этого вопроса. Об этом говорит, например, недавняя работа Батлера, посвященная экспериментальному изучению второго закона термодинамики в применении к живым организмам.

Шредингер своей обобщающей попыткой сделал большой шаг к введению в обиход биологии тех точных теоретических методов, которые давно свойственны физике, но (если не считать статистических методов обработки материала) только эпизодически и по большей части лишь в специальных работах пробивают себе дорогу в науке о жизни. Особенно следует подчеркнуть, что, несмотря на всю свою механистическую методологию, Шредингер - ив этом несомненная ценность его книги - приходит, как к центральному представлению, к диалектической мысл о специфическом, качественном отличии живого от неживого, хотя и ограничивает эту специфичность только пределами физической организации живого.

Несомненно, заглавие книги обещает больше, чем может дать автор. Проблема жизни в целом неизмеримо шире и глубже проблем, затронутых Шредингером в его книге. Шредингер рассматривает лишь некоторые из основных вопросов организации живой клетки, но отнюдь не всю проблему жизни во всей ее сложности. Однако он развивает наши представления о сущности жизни глубже, и если формально книга не дает того, что обещано в заглавии, все же по существу вряд ли могут быть оправданы те претензии, которые предъявила ей критика, требуя от автора объяснения таких явлений, как удвоение генов, регуляция физиологических процессов и т. д. Здесь уместно вспомнить слова К. А. Тимирязева, где он ставит в заслугу Пастеру то, что он умел поднять вопрос, стоящий в науке на очереди, и разрешал именно этот, а не какой-либо другой, не менее важный вопрос, который, однако, может быть решен только на следующем этапе исследования, в частности, после предварительного изучения первого вопроса.

Мы не будем останавливаться здесь на отдельных замечаниях, хотя некоторые из них (как, например, замечание Холдэна о возможности статистического подхода к единичному гену) порождены, повидимому, каким-то недоразумением. Гораздо интереснее рассмотреть философские и, в частности, гносеологические взгляды, которые Шредингер высказал в эпилоге.

Как крупный ученый, Шредингер в научном исследовании занял ясные материалистические позиции. Он специально подчеркнул, что не только не мыслит никаких "сверхестественных", нефизических сил в организме, но и не пытается замаскировать их в физическую одежду "квантовой недетерминированности" (к чему, повидимому, склонны некоторые физики, например Иордан и др.). Тем более отчетливо выступает слабость Шредингера, когда он касается общефилософских вопросов.

Трудно привести более наглядный пример в области биологии, на котором так блестяще и рельефно подтверждается правильность извести: го высказывания В. И. Ленина: "Ни единому из этих профессоров, способных давать самые ценные работы в специальных областях химии, истории, физики, нельзя верить ни в едином слове, раз речь заходит о философии". (Ленин, Соч. т. XIII, стр. 280.)

И действительно, ставя в своей книге центральной проблемой вопрос о специфичности живой материи, Шредингер не только в конкретном научном анализе, но и в самой постановке вопроса ограничивает его исключительно уровнем примитивной физической организации, чем отчасти и вызвана критика его книги Холдэном и Меллером. Кажется, что именно с этой ограниченностью Шредингера полемизировал Ф. Энгельс, когда писал: "Мы несомненно "сведем" когда-нибудь экспериментальным образом мышление к молекулярным и химическим движениям в мозгу, но исчерпывается ли этим сущность мышления?" ("Диалектика природы".)

Однако, если в научном исследовании этот методологический примитивизм Шредингера сказался только в ограниченной постановке вопроса, то в своих чисто философских взглядах он выступает уже как прямой идеалист.

Обсуждая "модель Дельбрюка", Шредингер заявляет, что если бы она оказалась несостоятельной, то надо было бы вообще прекратить дальнейшие попытки познать сущность процессов, протекающих в живой клетке. Холдэн в своей рецензии отвечает правильным, указанием на очень близкий Шредингеру пример, когда, казалось бы, в столь совершенную картину атома, предложенную Бором, позднейшее развитие физики внесло существенные изменения.

Современное состояние теоретической физики, а равно достижения в области изучения строения вещества, всецело подтверждают прозорливую ленинскую мысль о приближении познания к абсолютной истине через ряд относительных истин и начисто опровергают данное утверждение Шредингера.

Совершенно идеалистично также высказывание Шредингера, когда он говорит, что "загадка" психофизического параллелизма неразрешима для человеческого ума (§ 5), так же как, по его мнению, не могут быть поняты и пути самого познания мира этим умом (§ 19). Здесь идеалист Шредингер выступает как типичный агностик.

Но с исключительной обнаженностью этот метафизический разрыв между наукой и субъективной философией Шредингера сказался в его небольшом эпилоге "О детерминизме и свободе воли", где на нескольких страницах он пытается ответить на некоторые основные вопросы философии, заимствуя их решение из индусских Упанишад, философии Шопенгауэра и прочих мистико-идеалистических философских систем. Шредингер и сам сознает этот разрыв между своей философией и наукой. "В награду за труд по изложению чисто научной стороны нашей проблемы sine ira et studio я прошу теперь разрешить мне высказать собственный, неизбежно субъективный взгляд на философское значение вопроса" (стр. 121), пишет он. Причина этого разрыва заключается в том, что крупный ученый, вскрывающий объективные закономерности природы, Шредингер в своем методологическом отношении к науке остается неисправимым идеалистом, а в общем умонастроении - типичным сыном того общественного строя и класса, к которому он принадлежит. Философский идеализм Шредингера, проистекающий из его механистического метода, не способен дать правильные ответы на поднятые им философские вопросы.

Шредингер утверждает, что одно индивидуальное сознание как таковое недоступно другому индивидуальному сознанию (стр. 124). Из этого он делает вывод, что сознание - вообще единичное явление и, значит, наличие "многих сознаний" - иллюзия. Подобное заключение естественно приводит Шредингера к конечному выводу всей его идеалистической философии о непознаваемости мира вообще.

Эта старая агностическая басня уже давно была блестяще разоблачена Лениным как раз на примере физических наук в его классическом труде "Материализм и эмпириокритицизм". Остроумное возражение против этого основного положения Шредингера приводит также Холдэн. Он говорит, что у физика нет возможности провести различие между двумя электронами водородной молекулы. Они так же лишены индивидуальных черт, как и "факт сознания". Тем не менее, электронов все-таки два, а не один, Но то, что не смущает Шредингера в близкой ему физике, становится неразрешимым для него в области философии. По этой же причине столь же неразрешимыми являются для Шредингера и прочие философские вопросы, поднятые им в эпилоге. Он пишет, что "непосредственные восприятия, какими бы различными и несравнимыми они ни были, сами по себе не могут логически противоречить друг другу. Поэтому посмотрим, не сможем ли мы получить правильное и непротиворечивое заключение, исходя из следующих двух предпосылок" (стр. 122). Что же это за "предпосылки" и о каких "непосредственных восприятиях", которые "не могут логически противоречить друг другу", идет речь?

В самом деле, непосредственные восприятия не могут противоречить друг другу: ощущение боли в руке - ощущению горечи на языке, или образ человека на экране кино - ощущению плоской стенки, полученному при ощупывании экрана рукой.

Но Шредингер противополагает друг другу вовсе не два непосредственных восприятия, а совершенно несравнимые вещи. С одной стороны, он берет научный вывод, сделанный на основе бесчисленного количества фактов и свидетельствующий о том, что человеческий организм в своих отправлениях полностью подчиняется законам природы, который он механистически формулирует так: "Мое тело функционирует как чистый механизм..." (стр. 122). С другой стороны, он выставляет субъективное убеждение, что свободная воля, сознание человека, господствует над материальными закономерностями тела. "Однако из неопровержимого (? Пер.) опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела..." (там же). Но если два восприятия не могут противоречить друг другу, то научное объяснение какого-либо явления очень часто противоречит субъективному убеждению, основанному на непроверенном, критически не анализированном опыте повседневной жизни. Так, оптическое объяснение эффектов кино, конечно, противоречит нашему непосредственному впечатлению, что на экране движутся действительно живые люди.

Но из этого, разумеется, не следует, что сознание независимо от материи и "господствует" над ней, как утверждает Э. Шредингер, который не скрывает своей прямой философской тенденциозности и, аргументируя свои положения, стремится не больше, не меньше, как "доказать одновременно и существование бога и бессмертие души" (стр. 123).

Более чем очевидно, что во всем этом своем рассуждении Шредингер допускает элементарную логическую ошибку, erorr fundamentalis - ложное основное положение, в результате которой он доказывает не то, что требуется доказать, а нечто совсем иное, но внешне сходное. Его силлогизм порочен, ибо научно обоснованный вывод, вытекающий из познания объективных закономерностей, он сопоставляет с субъективным мнением, лишенным какого бы то ни было научного значения.

Та внешне логическая, но по существу порочная и беспомощная аргументация, к которой он прибегает для доказательства основного тезиса своего эпилога: "значит, я - всемогущий бог", свидетельствует о глубочайшем духовном кризисе, в котором пребывает современная буржуазная философия науки.

Полный философский обскурантизм Шредингера очевиден и не вызывает никакого сомнения.

Если верно, что вступление к книге часто пишется после основного труда, то не менее справедливо и то, что выводы часто намечаются раньше, чем аргументация.

Это произошло и со Шредингером. Его выводы отражают идеологию уходящего в прошлое классово-капиталистического общества, в котором на смену относительно прогрессивному механистическому материализму эпохи раннего капитализма пришли различные, все более реакционные формы философии, вплоть до различных гносеологических систем идеалистического характера, вроде Шопенгауэра и др. У них-то Шредингер и заимствует свои общие философские концепции. Оставаясь в своей специальной области крупнейшим исследователем, Шредингер в области философии довольствуется обывательскими представлениями, "вздорной побасенкой о свободе воли" (Ленин, Соч., т. I, стр. 77). В результате возникает своеобразная "кривая" логика, сопоставляющая научный факт с субъективным ощущением, которая и приводит его к выводу, что ему удается "доказать... существование бога и бессмертие души".

В этом основной недочет всей логической аргументации Шредингера, которая, как карточный домик, распадается от малейшего прикосновения диалектической критики.

Философское выступление Шредингера получило чрезвычайно резкую отповедь в упоминавшейся рецензии крупнейшего американского генетика Меллера, расценившего его как "старомодный мистицизм" и указавшего, что "биологи шокированы тем, что они оказываются свидетелями этих неразумных мозговых упражнений и измышлений по общим вопросам психологии и социологии". Он призывает биологов в ответ на философское выступление Шредингера "сверкнуть своим красным предостерегающим сигналом". "Надо надеяться, однако, - пишет Меллер, - что несчастливое откровение внутреннего "я" этого физика не помешает серьезно отнестись к достаточно здоровому изложению в основной части книги и что все более полезное сближение между физикой, химией и генетическими основаниями биологии стало, наконец, на твердый путь".

Несомненно, рецензент здесь вполне прав, и было бы большой наивностью пытаться связать эти две столь несоединимые линии: Шредингера-ученого и Шредингера-философа. Как в свое время спиритические "опыты" Уоллеса и Крукса, вызвавшие заслуженную отповедь Энгельса, нисколько не уменьшили высокой оценки их чисто научных исследований, а монадология Лейбница не помешала его великим заслугам в развитии нового математического, мышления, так и в данном случае субъективные философские взгляды крупного физика не должны мешать правильной оценке объективного вклада, сделанного им в науку.

Советская интеллигенция, воспитанная на трудах классиков научного коммунизма, идеологически достаточно созрела для того, чтобы критически отнестись к подобному смешению точной науки и идеалистической философии.

Следуя заветам В. И. Ленина, она достаточно устойчива в отношении всяких идеалистических измышлений, независимо от того, что они высказываются крупным авторитетом в специальной области, она хорошо понимает источники и причины подобного явления и сумеет поэтому диференцированно оценить труды зарубежных ученых, усвоить и переработать те достижения, которых они добились в деле исследования и постижения реального материального мира. Она сумеет отделить все то передовое и новаторское, что имеется в книге Шредингера, от его идейно-философского обскурантизма, который столь характерен для многих современных зарубежных ученых.

Что такое жизнь?

Лекции, читанные в Тринити-колледж в Дублине в феврале 1943 г.

Москва: Государственное издательство иностранной литературы, 1947 - с.150

Эрвин Шредингер

профессор Дублинского исследовательского института

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ

с точки зрения физики?

WHAT IS LIFE?

The Physical Aspect of the

Living Cell

BRWIN SGHRODINGER

Senior Professor at the Dublin Institute for Advanced Studies

Перевод с английского и послесловие А. А. МАЛИНОВСКОГО

Художник Г. Рифтин

Вступление

Homo liber nulla de re minus quam

de morte cogitat; et ejus sapientia

non mortis sed vitae meditatio est.

Spinoza, Ethica, P. IV, Prop. 67.

Человек свободный ни о чем так

мало не думает, как о смерти, и

его мудрость состоит в размышлении

не о смерти, а о жизни.

Спиноза, Этика, ч. IV, теор. 67.

Ghtlbcckjdbt

Предисловие

Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.

Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтам познания - университетам, - напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило нас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо одной небольшой специальной частью науки.

Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если некоторые из нас не рискнут взяться за синтез фактов и теорий, хотя бы наше знание в некоторых из этих областей было неполным и полученным из вторых рук и хотя бы мы подвергались опасности показаться невеждами.

Пусть это послужит мне извинением.

Большое значение имеют также трудности с языком. Родной язык каждого является как бы хорошо-пригнанной одеждой, и нельзя чувствовать себя вполне свободно, когда ваш язык не может быть непринужденным и когда его надо заменить другим, новым. Я очень благодарен д-ру Инкстеру(Тринити-колледж, Дублин), д-ру Падрайг Броуну (колледж св. Патрика, Мэйнут) и, наконец (но не меньше, чем другим), мистеру С. К.Робертсу. Им доставило много забот подогнать на меня новое одеяние, и это усугублялось еще тем, что порой я не хотел отказаться от своего несколько "оригинального" собственного стиля. Если что-либо из него сохранилось, несмотря на стремление моих друзей смягчить его, то это должно быть отнесено на мой, а не на их, счет.

Первоначально предполагалось, что подзаголовки многочисленных разделов будут иметь характер резюмирующих надписей на полях, и текст каждой главы должен был бы читаться in continue (непрерывно).

Я очень обязан д-ру Дарлингтону и издателю Endeavour (Об-во имперских химических производств) за клише для иллюстраций. В них сохранены все первоначальные детали, хотя не все эти детали имеют отношение к содержанию книги.

Дублин, сентябрь, 1944. Э. Ш.

Подход классического физика к предмету

Cogito, ergo sum

Descartes .

Общий характер и цели исследования

Эта небольшая книга возникла из курса публичных лекций, прочитанных физиком - теоретиком перед аудиторией около 400 человек. Аудитория почти не уменьшалась, хотя с самого начала была предупреждена, что предмет изложения труден и что лекции не могут считаться популярными, несмотря даже на то, что наиболее страшное орудие физика - математическая дедукция - здесь вряд ли может быть применена. И не потому что предмет настолько прост, чтобы можно было объяснить его без математики, но скорее, обратное - потому что он слишком запутан и не вполне доступен математике. Другой чертой, создающей по крайней мере внешний вид популярности, было намерение лектора сделать основную идею, связанную и с биологией и с физикой, ясной как для физиков, так и для биологов.

Действительно, несмотря на разнообразие тем, включенных в книгу, в целом она должна передать только одну мысль, только одно небольшое пояснение к большому и важному вопросу. Чтобы не уклониться с нашего пути, будет полезно заранее кратко очертить наш план.

Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?

Предварительный ответ, который постарается дать и развить эта небольшая книга, можно суммировать так: явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает никаких оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками.

Статистическая физика. Основное различие в структуре

Предыдущее замечание было бы весьма тривиальным, если бы оно имело целью только стимулировать надежду достигнуть в будущем того, что не было достигнуто в прошлом. Оно, однако, имеет гораздо более положительный смысл, а именно, что неспособность физики и химии до настоящего времени дать ответ полностью объяснима.

Благодаря умелой работе биологов, главным образом генетиков, за последние 30 или 40 лет теперь стало достаточно много известно о действительной материальной структуре организмов и об их отправлениях, чтобы понять, почему современные физика и химия не могли объяснить явления в пространстве и времени, происходящие внутри живого организма.

Расположение и взаимодействие атомов в наиболее важных частях организма коренным образом отличаются от всех тех расположений атомов, с которыми физики и химики имели до сих пор дело в своих экспериментальных и теоретических изысканиях. Однако это отличие, которое я только что назвал коренным, такого рода, что легко может показаться ничтожным всякому, кроме физика, пропитанного той мыслью, что законы физики и химии являются насквозь статистическими. Именно со статистической точки зрения структура важнейших частей живого организма полностью отличается от любого куска вещества, о которым мы, физики и химики, имели до сих пор дело, практически - в наших лабораториях и теоретически - за письменными столами. Конечно, трудно себе представить, чтобы законы и правила, при этом нами открытые, были непосредственно приложимы к поведению систем, не имеющих тех структур, на которых основаны эти законы и правила.

Нельзя ожидать, чтобы не физик мог охватить (не говорю уже - оценить) все различие в "статистической структуре", формулированное в терминах столь абстрактных, как только что сделал это я. Чтобы дать моему утверждению жизнь и краски, разрешите мне предварительно обратить внимание на то, что будет детально объяснено позднее, а именно, что наиболее существенная часть живой клетки - хромосомная нить - может быть с основанием названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Для ума простого физика они являются весьма интересными и сложными объектами; они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика; однако в сравнении с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью все снова и снова, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который дает не скучное повторение, но сложный, последовательный и полный значения рисунок, начертанный великим мастером.

Называя периодический кристалл одним из наиболее сложных объектов исследования, я имел в виду собственно физика. Органическая химия в изучении все более и более сложных молекул действительно подошла гораздо ближе к тому "апериодическому кристаллу", который, на мой взгляд, является материальным носителем жизни. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.

Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Эрвин Шредингер
Что такое жизнь?

Что такое жизнь?

Живая клетка как физический объект

На основе лекций, прочитанных при содействии Дублинского института перспективных исследований в Тринити-колледже, Дублин, в феврале 1943 г.

Памяти моих родителей

Предисловие

В начале 1950-х годов, будучи молодым студентом-математиком, я мало читал, но уж если читал, то в основном Эрвина Шредингера. Мне всегда нравились его работы, в них чувствовалось волнение открытия, сулившее действительно новое понимание загадочного мира, в котором мы живем. В этом смысле особенно выделяется короткая классическая работа «Что такое жизнь?», которую, как я теперь понимаю, непременно следует поставить в один ряд с самыми влиятельными научными трудами XX века. Она является мощной попыткой осознать настоящие тайны жизни – попыткой, сделанной физиком, чьи собственные проницательные догадки сильно изменили наше представление о том, из чего состоит мир. Мультидисциплинарность книги была необычной для своего времени, однако она написана с подкупающей, хотя и обезоруживающей скромностью на уровне, доступном неспециалистам и молодым людям, стремящимся к научной карьере. На самом деле, многие ученые, внесшие фундаментальный вклад в биологию, такие как Б. С. Холдейн1
Холдейн, Джон Бердон Сандерсон (1892–1964) – английский генетик, биохимик, физиолог и эволюционист, стоявший у истоков популяционной и молекулярной генетики и синтетической теории эволюции. – Здесь и далее примеч. пер.

И Фрэнсис Крик2
Крик, Фрэнсис (1916–2004) – британский молекулярный биолог и биофизик, один из первооткрывателей структуры ДНК, лауреат Нобелевской премии.

Признавали, что на них оказали значительное влияние различные идеи, пусть и спорные, выдвинутые в этой книге вдумчивым физиком.

Как и многие другие работы, повлиявшие на человеческое мышление, «Что такое жизнь?» излагает точки зрения, которые, будучи усвоенными, представляются почти самоочевидными истинами. Тем не менее их по-прежнему игнорирует множество людей, кому следовало бы понимать, что к чему. Как часто мы слышим, что квантовые эффекты не имеют особого значения в биологических исследованиях или даже что мы потребляем пищу, чтобы получить энергию? Данные примеры подчеркивают непреходящую значимость книги Шредингера «Что есть жизнь?». Без сомнения, ее следует перечитать!

Роджер Пенроуз

Введение

Предполагается, что ученый обладает полным и всеобъемлющим знанием о вещах, полученным из первых рук, а следовательно, не должен писать о том, в чем не является экспертом. Как говорится, noblesse oblige 3
Положение обязывает (фр. ).

Сейчас я попрошу вас забыть про noblesse, если таковое имеется, и освободиться от соответствующих обязательств. Я оправдываю это следующим образом: от наших праотцев мы унаследовали сильное стремление к единому, всеохватывающему знанию. Само название высших образовательных учреждений напоминает нам, что с античных времен и на протяжении многих столетий наибольшее внимание уделялось аспекту универсальности . Однако рост – в ширину и глубину – различных ветвей знания в последние сто с небольшим лет заставил нас столкнуться со странной дилеммой. Мы отчетливо ощущаем, что лишь начинаем собирать надежный материал, из которого можно вывести общую сумму всех известных вещей. Но с другой стороны, теперь отдельный ум способен одолеть только небольшой, специализированный фрагмент знания.

Я вижу лишь один способ справиться с этой дилеммой (иначе наша истинная цель будет утрачена навеки): кто-либо должен взять на себя синтез фактов и теорий, даже полученных из вторых рук и неполных, рискуя выставить себя глупцом.

Таково мое оправдание.

Не следует недооценивать языковые сложности. Родной язык – как скроенная по фигуре одежда, и человек чувствует себя неуютно, когда лишается доступа к нему и вынужден пользоваться другим языком. Я хочу выразить благодарность доктору Инкстеру (Тринити-колледж, Дублин), доктору Патрику Брауну (колледж Святого Патрика, Мейнут) и – последнему по счету, но не по значению – мистеру С. К. Робертсу. Им было нелегко подогнать под меня новую одежду и убедить отказаться от «оригинальных» оборотов. Если часть их пережила редактуру моих друзей, это моя вина.

Заголовки разделов изначально должны были представлять собой краткое содержание, и текст каждой главы следует читать in continuo 4
Непрерывно (ит. ).

Э. Ш.

Дублин

Сентябрь 1944 г.

Менее всего свободный человек размышляет о смерти. В своей мудрости он размышляет не о смерти, а о жизни.

Спиноза. Этика. Ч. IV, положение 67

Глава 1
Классический физический подход к предмету

Я мыслю, следовательно, существую.

Р. Декарт

Общий характер и цель исследования

Эта небольшая книга родилась из цикла публичных лекций, прочитанных физиком-теоретиком перед аудиторией из четырехсот человек, которая не сократилась даже после изначального предупреждения о сложности предмета и о том, что лекции нельзя назвать популярными, хотя в них практически не используется самое ужасное оружие физика, математическая дедукция, – не потому, что данный предмет можно объяснить без привлечения математики, а просто он слишком запутан для полного математического описания. Другой особенностью, которая придавала лекциям некий популярный оттенок, было намерение лектора объяснить и биологам, и физикам фундаментальную идею, лежащую на стыке биологии и физики.

В действительности, несмотря на разнообразие затрагиваемых тем, затея призвана донести лишь одну мысль – маленький комментарий к большому и важному вопросу. Чтобы не заблудиться, составим короткий план.

Большой, важный и весьма обсуждаемый вопрос заключается в следующем:

Как физика и химия объясняют события в пространстве и времени, происходящие в пространственных рамках живого организма?

Предварительный ответ, который попытается установить и обосновать эта книга, можно кратко изложить так:

Очевидная неспособность современных физики и химии объяснить подобные явления вовсе не означает, что эти науки не могут их объяснить.

Статистическая физика. Фундаментальное различие в структуре

Данное замечание было бы весьма тривиальным, если бы единственным его предназначением являлось пробудить надежду на достижение в будущем того, чего не удалось получить в прошлом. Однако его значение намного более оптимистично: эта неспособность имеет подробное объяснение.

Сегодня, благодаря блестящей работе биологов, в основном генетиков, за последние тридцать-сорок лет, мы знаем достаточно о действительной материальной структуре организмов и об их работе, чтобы заявить и назвать точную тому причину: современные физика и химия не могут объяснить пространственно-временные события, происходящие в живом организме.

Взаимодействия атомов в жизненно важных частях организма фундаментальным образом отличаются от всех соединений атомов, которые до настоящего времени являлись объектом экспериментальных и теоретических исследований физиков и химиков. Однако это различие, которое я считаю фундаментальным, может показаться малозначимым любому, кроме физика, сознающего, что законы химии и физики – сугубо статистические. Ведь именно со статистической точки зрения структура жизненно важных частей живых организмов столь отличается от любого кусочка материи, с которым мы, физики и химики, работаем физически в лабораториях или мысленно – за письменным столом5
Эта точка зрения подчеркивается в двух статьях Ф. Дж. Доннана, Scientia , XXIV, #78 (1918), 10 (La science physico-chimique décrit-elle d’une façon adéquate les phénomènes biologiques? / Способна ли физико-химическая наука адекватно описать биологические явления?) и Smithsonian Report , 1929, с. 309 (The mystery of life / Загадка жизни).

Невозможно представить, что законы и закономерности, открытые подобным образом, могут непосредственно применяться к поведению систем, не обладающих структурой, на которой они основаны.

Не-физик вряд ли окажется способен хотя бы уловить – не говоря уже о том, чтобы оценить – различие в «статистической структуре», выраженное столь абстрактными терминами. Чтобы придать утверждению живость и цвет, позвольте мне упомянуть то, что позднее будет описано намного детальнее, а именно самую значимую составляющую живой клетки – хромосомную фибриллу, которую можно назвать апериодическим кристаллом . До настоящего времени в физике мы имели дело лишь с периодическими кристаллами . В сознании скромного физика это очень интересные и сложные объекты, они относятся к самым удивительным и хитроумным материальным структурам, которыми озадачила его неживая природа. Однако в сравнении с апериодическими кристаллами они незамысловаты и скучны. Различия в структурах можно сравнить с различием между обычными обоями, на которых один и тот же узор повторяется снова и снова с регулярной периодичностью, и искусной вышивкой, например гобеленом Рафаэля, где нет скучного повторения, а присутствует сложный, гармоничный, осмысленный рисунок, созданный великим мастером.

Называя периодические кристаллы одним из самых сложных объектов исследования, я имел в виду истинного физика. Органическая химия, исследуя все более замысловатые молекулы, намного ближе подобралась к тому «апериодическому кристаллу», который, на мой взгляд, является материальным носителем жизни. Неудивительно, что химики-органики уже внесли важный вклад в проблему жизни, в то время как физики не сделали почти ничего.

Подход наивного физика к предмету

Теперь, обозначив вкратце главную идею, а точнее, пределы наших исследований, я опишу линию атаки. Я предлагаю вначале рассмотреть представления наивного физика об организмах – то есть идеи, что могут возникнуть в сознании физика, который, выучив свою физику, а точнее, статистическое основание науки, начинает размышлять о них и о том, как они себя ведут и функционируют, и в конце концов честно спрашивает себя, способен ли он посредством того, чему научился, с точки зрения своей относительно простой, четкой и скромной науки, внести какой-либо существенный вклад в данную проблему.

Оказывается, вполне способен. Далее нужно сравнить его теоретические ожидания с биологическими фактами. Выяснится, что, хотя в целом его идеи представляются весьма разумными, они нуждаются в значительной коррекции. Таким образом мы постепенно приблизимся к правильной точке зрения – точнее, если выразиться более скромно, точке зрения, которую я считаю правильной.

Я не уверен, что мой подход является самым лучшим и простым. Однако он мой. Я сам был «наивным физиком». И не смог отыскать более простого и ясного пути к цели, нежели моя кривая дорожка.

Почему атомы такие маленькие?

Хороший способ развить представления наивного физика – начать со странного, почти нелепого вопроса: почему атомы такие маленькие? Да, они действительно очень малы. Каждый фрагмент материи, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, состоит из множества атомов. Чтобы донести этот факт до аудитории, подобраны многочисленные примеры, самый впечатляющий из которых принадлежит лорду Кельвину6
Томсон, Уильям, барон Кельвин (1824–1907) – британский физик-математик, в честь которого названа абсолютная единица температуры.

Представьте, что вы можете пометить молекулы в стакане воды; затем вылейте содержимое стакана в океан и тщательно перемешайте, чтобы равномерно распределить помеченные молекулы по семи морям. Если впоследствии вы наберете стакан воды в любом месте океана, то обнаружите в нем около сотни ваших меченых молекул. Разумеется, их будет не ровно 100 (даже если вычисления дают именно такой результат). Их будет 88, или 95, или 107, или 112, но вряд ли 50 или 150. Ожидаемое «отклонение», или «флуктуация», составит порядка корня квадратного из 100, то есть 10. Статистик выразит это так: вы обнаружите 100±10 молекул. Пока этот комментарий можно проигнорировать, однако позднее мы используем его в качестве иллюстрации статистического закона √n .

Реальный размер атомов7
Согласно современным представлениям, у атома нет четких границ, а следовательно, «размер» атома не является определенной концепцией. Однако мы можем охарактеризовать или, если хотите, заменить его расстоянием между центрами атомов в твердом или жидком состоянии, но, разумеется, не газообразном, в котором оно, при нормальных давлении и температуре, увеличивается примерно в десять раз. – Примеч. авт.

Составляет примерно длину волны желтого света. Это сравнение существенно, поскольку длина волны грубо характеризует размеры мельчайшего объекта, видимого в микроскоп. Таким образом, подобный объект содержит тысячи миллионов атомов. Но почему атомы такие маленькие? Очевидно, данный вопрос является уловкой, поскольку в действительности он касается вовсе не размера атомов, а размера организмов, точнее, наших собственных тел. Атом мал в сравнении с «гражданской» единицей длины, например, ярдом или метром. В атомной физике обычно используют так называемый ангстрем (сокращенно Å), который составляет 10 –10 метра, или, в десятичном представлении, 0,0000000001 метра. Диаметры атомов варьируют от 1 до 2 Å. «Гражданские» единицы, по сравнению с которыми атомы столь малы, тесно связаны с размерами наших тел. Согласно легенде, ярдом мы обязаны английскому королю-шутнику, которого советники спросили, какую единицу использовать. Он вытянул руку вбок и ответил: «Используйте расстояние от середины моей груди до кончиков пальцев, это подойдет». Правдива история или нет, но она важна для наших целей. Разумеется, король указал длину, сравнимую с его собственным телом, понимая, что любая другая будет неудобной. Несмотря на любовь к ангстремам, физик предпочитает слышать, что на его новый костюм потребуется шесть с половиной ярдов твида, а не шестьдесят пять тысяч миллионов ангстремов.

Таким образом, мы установили, что наш вопрос касается соотношения двух размеров – размера нашего тела и размера атома. С учетом неоспоримого главенства независимого существования атома, этот вопрос следует переформулировать так: почему наши тела столь велики в сравнении с атомом?

Представляю, как многие смышленые студенты-физики или химики оплакивали факт, что все наши органы чувств, составляющие вполне значимую часть организма, а следовательно с точки зрения вышеупомянутого соотношения состоящие из множества атомов, слишком грубы, чтобы ощутить влияние одиночного атома. Мы не можем увидеть, или почувствовать, или услышать отдельные атомы. Наши гипотезы на их счет заметно отличаются от непосредственных открытий, совершенных при помощи крупных органов чувств, и не могут быть проверены напрямую.

Обязательно ли это? Есть ли тому внутренняя причина? Можем ли мы проследить это состояние дел к некому первичному принципу, чтобы подтвердить и понять, почему ничто другое не совместимо с законами природы?

Наконец перед нами проблема, которую способен решить физик. Ответ на все эти вопросы утвердительный.

Работа организма требует конкретных физических законов

Если бы это было не так, если бы мы представляли собой организмы столь чувствительные, что один или несколько атомов сумели бы произвести ощутимое впечатление на наши чувства, – боже, какой была бы жизнь! Подчеркну: у подобного организма наверняка не развилось бы упорядоченное мышление, которое, пройдя немало ранних стадий, в конце концов сформировало бы, среди многих других идей, представление об атоме.

Мы выбираем именно этот момент, однако последующие рассуждения также применимы к работе других органов, а не только головного мозга и системы органов чувств. Тем не менее единственной действительно интересующей нас в нас самих вещью является то, что мы ощущаем, думаем и воспринимаем. По сравнению с физиологическим процессом, ответственным за мышление и чувства, остальные играют второстепенную роль, по крайней мере с точки зрения человека, если и не чисто объективной биологии. Более того, наша задача станет легче, если мы выберем для исследования процесс, тесно связанный с субъективными событиями, пусть и не осознавая истинной природы этого параллелизма. С моей точки зрения, он лежит за пределами естественных наук – и, вероятно, человеческого понимания.

Таким образом, перед нами возникает следующий вопрос: почему орган вроде нашего головного мозга, а также связанная с ним система органов чувств, должен состоять из невероятного числа атома, чтобы его физически изменчивое состояние соотносилось с высокоразвитым мышлением? Почему вышеупомянутая задача делает данный орган не совместимым с тем, чтобы являться – в целом или посредством периферических отделов, которые напрямую взаимодействуют с окружающей средой – инструментом достаточно тонким и чувствительным, чтобы зарегистрировать отдельный атом извне и отреагировать на него?

Причина такова: то, что мы называем мыслью, (1) само по себе упорядочено и (2) может использоваться лишь применительно к материалу, то есть восприятию или переживанию, обладающему определенным уровнем упорядоченности. Из этого вытекают два вывода. Во-первых, чтобы соотноситься с мышлением (как мой мозг соотносится с моей мыслью), физическая организация должна быть крайне упорядоченной, и это означает, что происходящие в ней события должны с высокой точностью подчиняться строгим физическим законам. Во-вторых, физические впечатления, которые производят на эту физически организованную систему внешние тела, очевидно, соотносятся с восприятием и опытом соответствующей мысли, формируя ее материал, как я выразился. Физические взаимодействия нашей системы с другими должны, как правило, сами обладать определенной степенью физической упорядоченности, то есть с определенной точностью подчиняться строгим физическим законам.

Физические законы основываются на атомарной статистике, а следовательно, являются приблизительными

Почему же все это недостижимо для организма, состоящего из ограниченного числа атомов и способного ощутить воздействие одного или нескольких атомов?

Потому что мы знаем, что атомы постоянно находятся в неупорядоченном тепловом движении, которое, так сказать, противоречит упорядоченному поведению и не дает событиям, реализуемым небольшим числом атомов, соответствовать известным законам. Лишь в случае соединения невероятно большого числа атомов начинают действовать статистические законы, и они контролируют поведение этих скоплений с точностью, возрастающей вместе с ростом числа атомов. Именно таким образом события приобретают черты настоящей упорядоченности. Все физические и химические законы, играющие важную роль в жизни организмов, являются статистическими. Любой другой вид закономерности и упорядоченности нарушается и сводится на нет непрерывным тепловым движением атомов.

Их точность основана на большом числе вовлеченных атомов. Пример первый (парамагнетизм)

Позвольте проиллюстрировать это несколькими примерами, выбранными наугад из тысяч им подобных и потому, возможно, не самыми лучшими для читателя, который впервые слышит о таком положении вещей, – положении, столь же фундаментальном в современной физике и химии, как, например, клеточное строение организмов в биологии, или закон Ньютона в астрономии, или даже последовательность целых чисел – 1, 2, 3, 4, 5… – в математике. Следующие страницы вряд ли помогут новичку полностью понять и оценить предмет обсуждения, который связан с блистательными именами Уилларда Гиббса8
Больцман, Людвиг (1844–1906) – австрийский физик, прославившийся работами по статистической механике и молекулярно-кинетической теории.

И Людвига Больцмана9
Гиббс, Джозайя Уиллард (1839–1903) – американский физик и математик, стоявший у истоков векторного анализа, математической теории термодинамики и статистической физики.

И обсуждается в учебниках в разделе «статистическая термодинамика».

Если заполнить вытянутую кварцевую трубку газообразным кислородом и поместить в магнитное поле, газ намагнитится. Я выбрал газ, поскольку случай с ним проще, чем с твердым веществом или жидкостью. Тот факт, что намагничивание в данном случае будет крайне слабым, не повлияет на теоретические рассуждения. Намагничивание происходит потому, что молекулы кислорода представляют собой маленькие магниты и ориентируются параллельно полю, как стрелка компаса. Но не думайте, будто они все выстраиваются параллельно. Удвоив силу поля, вы получите в вашем сосуде с кислородом двойную намагниченность, и она будет пропорционально возрастать по мере приближения к экстремально сильным полям.

Рис. 1. Парамагнетизм

Это наглядный пример чисто статистического закона. Ориентации, вызванной полем, постоянно противостоит тепловое движение, приводящее к произвольной ориентации. Результатом этой борьбы является незначительное преобладание острых углов между осью диполя и полем над тупыми углами. Ориентация отдельных атомов непрерывно меняется, однако в среднем, благодаря своему огромному количеству, они дают постоянное небольшое преобладание ориентации в направлении поля, пропорциональное этому полю. Этим блистательным объяснением мы обязаны французскому физику П. Ланжевену10
Ланжевен, Поль (1872–1946) – французский физик, автор теории диамагнетизма и парамагнетизма.

Проверить его можно следующим образом. Если наблюдаемая слабая намагниченность действительно является результатом противоборствующих явлений, а именно магнитного поля, желающего выстроить все молекулы параллельно, и теплового движения, которое стремится к произвольной ориентации, значит, можно усилить намагниченность, не повысив магнитное поле, а ослабив тепловое движение, то есть понизив температуру. Это подтверждает эксперимент, согласно ему намагниченность обратно пропорциональна абсолютной температуре, в количественном согласии с теорией (закон Кюри). Современное оборудование даже позволяет нам посредством понижения температуры настолько ослабить тепловое движение, что ориентирующее воздействие магнитного поля получит возможность если не проявить себя полностью, то достигнуть существенной доли «полной намагниченности». В данном случае мы уже не ждем, что удвоение силы поля удвоит намагниченность; последняя будет расти все меньше и меньше, приближаясь к так называемому насыщению. Это тоже подтверждает эксперимент.

Обратите внимание, что данное поведение полностью зависит от большого числа молекул, которые взаимодействуют, давая наблюдаемую намагниченность. В противном случае последняя не была бы постоянной, а весьма произвольно флуктуировала бы от секунды к секунде, свидетельствуя о переменных успехах в борьбе теплового движения и магнитного поля.

Пример второй (броуновское движение, диффузия)

Заполнив нижнюю часть закрытого стеклянного сосуда туманом, состоящим из крошечных капель, вы увидите, что верхняя граница тумана будет постепенно опускаться с определенной скоростью, определяемой вязкостью воздуха и размером и удельной плотностью капель. Но изучив одну из капель под микроскопом, обнаружите, что она вовсе не опускается с постоянной скоростью, а совершает очень сложное движение, так называемое броуновское движение, которое лишь в среднем соотносится с общим оседанием.

Конечно, эти капли – не атомы, однако они достаточно малы и легки, чтобы ощутить влияние отдельных молекул, непрерывно бомбардирующих их поверхность. Поэтому капли отклоняются то в одну, то в другую сторону и лишь в среднем подчиняются действию силы тяжести.

Рис. 2. Оседающий туман

Рис. 3. Броуновское движение оседающей капли

Данный пример демонстрирует, какие забавные и хаотичные ощущения мы испытывали бы, если бы наши органы чувств воспринимали воздействие отдельных молекул. Существуют бактерии и другие организмы, которые столь малы, что на них этот феномен оказывает значительное влияние. Их движения определяются тепловыми капризами окружающей среды, у них просто нет выбора. Те из них, что обладают собственной способностью к перемещению, могут перебираться с места на место, однако с трудностями, поскольку тепловое движение швыряет их, словно утлую лодочку в бурном море.

На броуновское движение очень похоже явление диффузии . Представьте сосуд, заполненный водой, в которой растворено небольшое количество некоего окрашенного вещества, например перманганата калия, не в одинаковой концентрации, а как изображено на рис. 4, где точки обозначают молекулы растворенного вещества (перманганата) и концентрация падает слева направо. Если оставить этот сосуд в покое, начнется медленный процесс «диффузии», переносящий перманганат из левой части сосуда в правую, то есть из места с большей концентрацией в место с меньшей, пока вещество не распределится в воде равномерно.

Удивительной особенностью этого весьма простого и не слишком интересного процесса является то, что в его основе лежит не какая-то тенденция или сила, уводящая молекулы перманганата из более населенной области в менее населенную, словно жителей страны, переезжающих в свободные регионы. С нашими молекулами перманганата не происходит ничего подобного. Каждая ведет себя независимо от других, с которыми очень редко сталкивается. Каждая – как в населенной области, так и в пустой – постоянно испытывает удары молекул воды и постепенно движется в непредсказуемом направлении – иногда в область с большей концентрацией, порой в область с меньшей или вообще вбок. Перемещения такой молекулы часто сравнивают с движением на открытом пространстве слепого человека. Он одержим желанием «шагать», но не может выбрать направления, а потому непрерывно меняет свой курс.

Рис. 4. Диффузия слева направо в растворе с различной концентрацией

То, что это случайное блуждание всех без исключения молекул перманганата должно привести к регулярному потоку в направлении меньшей концентрации и – в конце концов – к равномерному распределению, на первый взгляд вызывает недоумение. Если поделить рис. 4 на тонкие срезы с приблизительно постоянной концентрацией, молекулы перманганата, содержащиеся в данном конкретном срезе в некий момент времени, за счет случайного движения с равной вероятностью переместятся влево или вправо. Однако благодаря этому плоскость, разделяющую соседние срезы, пересечет больше молекул, приходящих слева, нежели справа, – просто потому, что слева находится больше молекул, вовлеченных в случайное движение. И пока это соответствует действительности, результатом будет регулярный поток слева направо – до достижения равномерного распределения.

Если перевести эти рассуждения на язык математики, закон диффузии будет представлять собой дифференциальное уравнение с частными производными:

Я избавлю читателя от объяснений, хотя значение этого закона можно выразить простым языком. А именно: концентрация в любой конкретной точке возрастает или падает со временем пропорционально сравнительному избытку или недостатку концентрации в ее бесконечно малом окружении. Кстати, закон теплопроводности выглядит точно так же, только вместо концентрации стоит температура. Я привел этот суровый «математически строгий» закон, желая подчеркнуть, что его физическая точность должна, тем не менее, ставиться под сомнение в каждом конкретном случае. Он основан на случайности, и его правомерность приблизительна. Как правило, это очень хорошее приближение, но лишь благодаря огромному числу молекул, вовлеченных в явление. Чем меньше их количество, тем более сильных случайных отклонений следует ожидать – и они наблюдаются при неблагоприятных условиях.

Пример третий (пределы точности измерения)

Последний пример весьма похож на второй, однако представляет особый интерес. Легкое тело, подвешенное на длинной тонкой нити в равновесной ориентации, часто используется физиками для измерения слабых сил, которые отклоняют его от равновесия, электрических, магнитных или гравитационных сил, прикладываемых таким образом, чтобы повернуть тело вокруг вертикальной оси. Разумеется, выбор легкого тела должен соответствовать целям опыта. Непрерывные попытки повысить точность этих популярных «крутильных весов» выявили любопытный предел, интересный сам по себе. Если брать все более легкие тела и тонкие и длинные нити – чтобы равновесие было чувствительным к все более слабым силам, – предел достигается, как только подвешенное тело начинает ощущать влияние теплового движения молекул окружающей среды и исполнять непрерывный хаотический «танец» вокруг равновесного положения, подобно дрожащей капле. Подобное поведение не накладывает абсолютного предела на точность измерений, проведенных при помощи весов, однако подчеркивает практический предел. Неконтролируемое воздействие теплового движения конкурирует с воздействием измеряемой силы и делает отдельные наблюдаемые отклонения незначимыми. Следует провести множество измерений, чтобы исключить влияние броуновского движения на инструмент. Я считаю данный пример наиболее наглядным для нашего исследования, ведь наши органы чувств – тоже в определенном роде инструмент. Теперь мы видим, насколько бесполезными они станут, если обретут такую чувствительность.

Правило √n

Хочу добавить, что мог бы выбрать в качестве иллюстрации любой физический или химический закон из тех, что имеют значение для организма или его взаимодействий с окружающей средой. Подробное объяснение может оказаться более сложным, но суть будет той же, а потому описание станет монотонным.

Однако следует упомянуть одно важное численное утверждение относительно погрешности, которой следует ждать от любого физического закона, – правило √n . Вначале я проиллюстрирую его простым примером, а потом обобщу.

Если я предположу, что некий газ при определенных условиях – давлении и температуре – обладает определенной плотностью, и заявлю, что в определенном объеме (подходящем для какого-либо эксперимента) при этих условиях содержится n молекул газа, можете не сомневаться, что, проверив мое утверждение в некий момент времени, вы сочтете его ошибочным, с отклонением порядка √n . Соответственно, если n = 100, отклонение будет составлять около 10, а относительная ошибка – 10 %. Однако если n = 1 000 000, вы обнаружите отклонение около 1000, и относительная ошибка составит 0,1 %. Грубо говоря, данный статистический закон является весьма общим. Законы физики и физической химии неточны, и вероятная относительная ошибка для них составляет порядка , где n есть число молекул, которые взаимодействуют, чтобы данный закон работал – и был справедливым в пространственных или временных (либо пространственно-временных) рамках, значимых для каких-либо рассуждений или эксперимента.

Из этого снова следует, что для того чтобы получать выгоду от достаточно точных законов, как во внутренних процессах, так и во взаимодействии с внешним миром, организм должен обладать крупной структурой. Иначе число взаимодействующих частиц будет слишком маленьким, а «законы» – неточными. Особенно строгим требованием является корень квадратный. Хотя миллион – весьма большое число, точность 1000 к 1 не кажется слишком высокой, если правило претендует на звание «закона природы».

Что такое жизнь?

Лекции, читанные в Тринити-колледж в Дублине в феврале 1943 г.

Москва: Государственное издательство иностранной литературы, 1947 - с.150

Эрвин Шредингер

профессор Дублинского исследовательского института

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ

с точки зрения физики?

WHAT IS LIFE?

The Physical Aspect of the

Living Cell

BRWIN SGHRODINGER

Senior Professor at the Dublin Institute for Advanced Studies

Перевод с английского и послесловие А. А. МАЛИНОВСКОГО

Художник Г. Рифтин

Вступление

Homo liber nulla de re minus quam

de morte cogitat; et ejus sapientia

non mortis sed vitae meditatio est.

Spinoza, Ethica, P. IV, Prop. 67.

Человек свободный ни о чем так

мало не думает, как о смерти, и

его мудрость состоит в размышлении

не о смерти, а о жизни.

Спиноза, Этика, ч. IV, теор. 67.

Ghtlbcckjdbt

Предисловие

Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.

Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтам познания - университетам, - напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило нас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо одной небольшой специальной частью науки.

Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если некоторые из нас не рискнут взяться за синтез фактов и теорий, хотя бы наше знание в некоторых из этих областей было неполным и полученным из вторых рук и хотя бы мы подвергались опасности показаться невеждами.

Пусть это послужит мне извинением.

Большое значение имеют также трудности с языком. Родной язык каждого является как бы хорошо-пригнанной одеждой, и нельзя чувствовать себя вполне свободно, когда ваш язык не может быть непринужденным и когда его надо заменить другим, новым. Я очень благодарен д-ру Инкстеру(Тринити-колледж, Дублин), д-ру Падрайг Броуну (колледж св. Патрика, Мэйнут) и, наконец (но не меньше, чем другим), мистеру С. К.Робертсу. Им доставило много забот подогнать на меня новое одеяние, и это усугублялось еще тем, что порой я не хотел отказаться от своего несколько "оригинального" собственного стиля. Если что-либо из него сохранилось, несмотря на стремление моих друзей смягчить его, то это должно быть отнесено на мой, а не на их, счет.

Первоначально предполагалось, что подзаголовки многочисленных разделов будут иметь характер резюмирующих надписей на полях, и текст каждой главы должен был бы читаться in continue (непрерывно).

Я очень обязан д-ру Дарлингтону и издателю Endeavour (Об-во имперских химических производств) за клише для иллюстраций. В них сохранены все первоначальные детали, хотя не все эти детали имеют отношение к содержанию книги.

Дублин, сентябрь, 1944. Э. Ш.

Подход классического физика к предмету

Cogito, ergo sum

Descartes .

Общий характер и цели исследования

Эта небольшая книга возникла из курса публичных лекций, прочитанных физиком - теоретиком перед аудиторией около 400 человек. Аудитория почти не уменьшалась, хотя с самого начала была предупреждена, что предмет изложения труден и что лекции не могут считаться популярными, несмотря даже на то, что наиболее страшное орудие физика - математическая дедукция - здесь вряд ли может быть применена. И не потому что предмет настолько прост, чтобы можно было объяснить его без математики, но скорее, обратное - потому что он слишком запутан и не вполне доступен математике. Другой чертой, создающей по крайней мере внешний вид популярности, было намерение лектора сделать основную идею, связанную и с биологией и с физикой, ясной как для физиков, так и для биологов.

Действительно, несмотря на разнообразие тем, включенных в книгу, в целом она должна передать только одну мысль, только одно небольшое пояснение к большому и важному вопросу. Чтобы не уклониться с нашего пути, будет полезно заранее кратко очертить наш план.

Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?

Предварительный ответ, который постарается дать и развить эта небольшая книга, можно суммировать так: явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает никаких оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками.

Статистическая физика. Основное различие в структуре

Предыдущее замечание было бы весьма тривиальным, если бы оно имело целью только стимулировать надежду достигнуть в будущем того, что не было достигнуто в прошлом. Оно, однако, имеет гораздо более положительный смысл, а именно, что неспособность физики и химии до настоящего времени дать ответ полностью объяснима.

Благодаря умелой работе биологов, главным образом генетиков, за последние 30 или 40 лет теперь стало достаточно много известно о действительной материальной структуре организмов и об их отправлениях, чтобы понять, почему современные физика и химия не могли объяснить явления в пространстве и времени, происходящие внутри живого организма.

Расположение и взаимодействие атомов в наиболее важных частях организма коренным образом отличаются от всех тех расположений атомов, с которыми физики и химики имели до сих пор дело в своих экспериментальных и теоретических изысканиях. Однако это отличие, которое я только что назвал коренным, такого рода, что легко может показаться ничтожным всякому, кроме физика, пропитанного той мыслью, что законы физики и химии являются насквозь статистическими. Именно со статистической точки зрения структура важнейших частей живого организма полностью отличается от любого куска вещества, о которым мы, физики и химики, имели до сих пор дело, практически - в наших лабораториях и теоретически - за письменными столами. Конечно, трудно себе представить, чтобы законы и правила, при этом нами открытые, были непосредственно приложимы к поведению систем, не имеющих тех структур, на которых основаны эти законы и правила.

Человек / 10.10.2016 Константин Мануйлов / 8.10.2011
"
Книга достойна того чтобы её прочитал с вниманием и подумал над ней любой человек претендующий на звание научного работника.Этому не мешают ни примиnивный полуэмпиризм квантовой механики,приччиной которого является полная оторванность её творцов(и автора книги в том числе) от классической механики и элекиродинамики помощью которых можно было бы получить все решения задач теории атомов и молекул, ибо вся наука о движении зарячженных тел под действием сил взаимного притяжения и отталкивани была решена в XIX-ом столетии Ампером,Гауссом и Вебером,опиравшимися на решение задачи N тел,ппполученное Ньютоном.Ни есстесственное "старение" некоторых раасчётов автора. А что суперструны,что геном м азаны одним и тем же.Людмил,Ленида и анонима мнепросто жаль."

Какое, вашу мать, решение задачи N тел? Аналитически она не была разрешена для случая трёх и более тел, кроме специальных случаев. Принимая этот факт во внимание, легко сделать вывод о том, как вы любите разбираться в деталях того, что изучаете - никак. Фальшивая эрудиция.

Николай / 7.08.2016 Люди вот у меня нет конечно такого образование как у вас.
Но вы глупцы очевидного не видите.
Вы не туда смотрите И не то ищите.
Перед тем чем доказывать свою правду и оскорблять друг друга, Вы лучше объединяйтесь.
А ВСЯ НАША ЖИЗНЬ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ ВО ВРЕМЕНИ, ВЫ НАЙДИТЕ СНАЧАЛА ОТВЕТ ПО ВРЕМЕНИ, А ВРЕМЯ ВАМ ДАСТ ОТВЕТ НА ЖИЗНЬ.

nnn / 28.10.2015 Смит, я являюсь сотрудником института помельче, но замечу, что если наука "топчется" где угодно из-за таких, как Людмила, то грош цена такой науке. Это просто к слову.

Смит / 10.12.2012 Людмила, я являюсь сотрудником РАН а ваши слова это лженаучная ересь. Из-за таких как вы наука у нас и топчется на месте. Космиты...почему мне такую траву не выдают, я законопослушный гражданин?

Людмила Белик / 9.01.2012 Прошли годы бесполезной попытки упросить официальную науку РФ начать изучать физику человека - вечного космита в биотеле бренном - с ДАТОЙ перевода в космовид. Уперлись рогом горе-академики и стали омолаживать себя - теряя космизм собственый навеки - уродливо.

И что? Осталось призывать ученых исследовать их в СМЕРТИ, изучая наращивание свойств в голове для создания ядерного взрыва, открытия врат в шее и соборования их внутреннего Я - космита "В ПУТЬ" ю Ну и, естественно, как будут выходить их тела омоложенные академики.
Не стали изучать смерть академика физика В.Гинзбурга совершено зря - ну очень показательно много суток кряду выдавливался из трупа, а далее - еще ужаснее.
Но глава РАН Ю. Осипов выходить будет еще уродливее. Но о потери ним собственного космизма десятки статей с показом изменения энергоконструктив и света "с" в нем дично.

Константин Мануйлов / 8.10.2011 Книга достойна того чтобы её прочитал с вниманием и подумал над ней любой человек претендующий на звание научного работника.Этому не мешают ни примиnивный полуэмпиризм квантовой механики,приччиной которого является полная оторванность её творцов(и автора книги в том числе) от классической механики и элекиродинамики помощью которых можно было бы получить все решения задач теории атомов и молекул, ибо вся наука о движении зарячженных тел под действием сил взаимного притяжения и отталкивани была решена в XIX-ом столетии Ампером,Гауссом и Вебером,опиравшимися на решение задачи N тел,ппполученное Ньютоном.Ни есстесственное "старение" некоторых раасчётов автора. А что суперструны,что геном м азаны одним и тем же.Людмил,Ленида и анонима мнепросто жаль.

Леонид / 12.12.2010 Эту монографию я отыскал еще в студенчестве, в библиотеке. Извиняюсь, но она не произвела особого впечатления ни с физической точки зрения, ни с биологической. С тех пор много воды утекло, в биофизике есть продвижения, но все идет, увы, очень медленно..
А прочитать стоит, хотя бы потому, что автор - Шредингер!

аноним / 19.11.2010 Люда, пену вытрите пожалуйста, геном - вот где сила, а квантовая теория - это так, детей пугать, уж я то знаю.

Людмила Белик / 4.05.2010 Наконец-то ИСТИНУ народу предложили, когда совсем уж оболванили народ горе-биологи и правящие в РАН физики -горе-академики - "создатели бессмертия" . И МРАКОБЕСИЕ их не устранено.

Людмила Белик / 17.01.2010 Единственный теоретик- ГЕНИЙ-физик, кто понял совершенно точно - в основе жизни - только КВАНТОВАЯ теория, но гения-одиночку заклевала целая рать горластых биологов, губителей науки о человеке. И самое смешное, что расшифрованную падаль генома бодро выдали за жизнь. И наихудшее свершилось - власть имущие в русской науке кричали все "УРА!" . И стыдно и смешно. Последствия катастрофические, а еще кричат "Защитите нас в науке!" в своих Бюллетенях Комиссии РАН.