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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 光和生命
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon May  5 16:45:23 2003) , 转信

光和生命
（1932年8月在哥本哈根国际光疗学会议开幕式上的演讲，刊于
Nature，131，421（1933）。）
　　 作为一个只限于研究无生物体的属性的物理学家，我在接受
盛情的邀请来在这样一个科学家的集会上发表演说时是不无踌躇
的。今天，诸位科学家会聚一堂，为的是推进我们关于光在治疗疾
病上的有益效果的知识。对于这一门美好的、对人类福利如此重
要的科学，我实在不能有所贡献。我最多只能谈谈纯无机的光现
象；这种现象多少年来特别吸引了物理学家们的注意，其最大原因
就在于光是我们的主要观察工具这一事实。然而，我曾经想到，借
此机会通过这样一次谈话来接触一个问题也许是有兴趣的，那就
是：在较狭窄的物理学领域中得到的结果，可以在多大程度上影响
我们对于生物在自然科学大厦中所占地位的看法：尽管生命之谜
有着很微妙的性质，这一问题却在科学的每一发展阶段中都出现
过；科学解释的本义，就在于将比较复杂的现象分析为比较简单的
现象。在目前，使得老问题又获得了新兴趣的，是对自然现象进行
力学描述的根本局限性；这种局限性是由原子理论的最近发展揭
示出来的。这一发展恰恰就起源于光和物体之间的相互作用的较
深入的研究；这种相互作用表现了一些特色，它们不满足一向认为
一种物理解释所必须满足的要求。正如我将尽力阐明的，物理学
家们为了掌握这一情况而作的努力，在某些方面颇像生物学家们
向来就多多少少直觉地对生命特征所抱的态度。但是，我愿意同
时强调一下，只有在这种形式的方面，光和生命才显现一种类似
性。光，这或许是一切物理现象中最不复杂的一种；生命，它却表
现着一种科学分析所难以捉摸的多样性。
　　 按照物理学的观点，光可以定义为在隔着一个距离的物体间
进行的能量传递。如所周知，这种效应在电磁理论中得到了一种
简单解释，而电磁理论则可以看成为了缓和超距作用与近距作用
之间的矛盾而对经典力学作出的一种合理的引申。按照这种理
论，光被描述为耦合着的电振荡和磁振荡，它和通常的无线电波之
间的区别，只在于振荡频率较高和波长较短而已。光的传播，在实
际上可说是直线的；当用肉眼或适当仪器来确定物体位置时，就是
以这种直线传播为根据的。而事实上，光的直线传播完全依赖于
光的波长远小于所涉及的物体线度及仪器线度这一事实。同时，
光传播中的波动特点，不但是我们说明色现象的基础，而且它对于
光学现象的任何精密分析来说也是不可缺少的——在光谱学中，
色现象曾经提供了有关物质结构的十分重要的报道。作为上述这
种光学现象的一个典型例子，我只要举出干涉图样就可以了；当光
可以从光源沿着两条不同的路程传播到一个屏上时，这种干涉图
样就会出现。这里我们发现：在屏上，在两个波列的周相一致的那
些点上，也就是说，在两个光束了一些特色，它们不满足一向认为
一种物理解释所必须满足的要求。正如我将尽力阐明的，物理学
家们为了掌握这一情况而作的努力，在某些方面颇像生物学家们
向来就多多少少直觉地对生命特征所抱的态度。但是，我愿意同
时强调一下，只有在这种形式的方面，光和生命才显现一种类似
性。光，这或许是一切物理现象中最不复杂的一种；生命，它却表
现着一种科学分析所难以捉摸的多样性。
　　 按照物理学的观点，光可以定义为在隔着一个距离的物体间
进行的能量传递。如所周知，这种效应在电磁理论中得到了一种
简单解释，而电磁理论则可以看成为了缓和超距作用与近距作用
之间的矛盾而对经典力学作出的一种合理的引申。按照这种理
论，光被描述为耦合着的电振荡和磁振荡，它和通常的无线电波之
间的区别，只在于振荡频率较高和波长较短而已。光的传播，在实
际上可说是直线的；当用肉眼或适当仪器来确定物体位置时，就是
以这种直线传播为根据的。而事实上，光的直线传播完全依赖于
光的波长远小于所涉及的物体线度及仪器线度这一事实。同时，
光传播中的波动特点，不但是我们说明色现象的基础，而且它对于
光学现象的任何精密分析来说也是不可缺少的——在光谱学中，
色现象曾经提供了有关物质结构的十分重要的报道。作为上述这
种光学现象的一个典型例子，我只要举出干涉图样就可以了；当光
可以从光源沿着两条不同的路程传播到一个屏上时，这种干涉图
样就会出现。这里我们发现：在屏上，在两个波列的周相一致的那
些点上，也就是说，在两个光束中的电振荡、磁振荡具有相同方向
的那些点上，两个光束所将分别引起的那些效果是加强的；在这种
振荡具有相反方向而两个波列又被称为具有异周相的那些点上，
二光束的效果减弱甚至可以消失。这种干涉图样给光传播的波动
图景提供了如此彻底的验证，以致这种图景不能看成通常意义下
的假说，而应该看成所观察现象的恰当解释。
　　 但是，大家知道，由于在能量传递的机构中发现了原子性的基
本特色，而且从电磁理论的观点看来这种原子性十分难以理解，因
此，近年以来，光的本性问题又重新被人们讨论起来。事实上，任
何的光能传递过程都可以追溯到一些个体过程；在每一个这样的
个体过程中，有一个所谓的光量子被交换；光量子的能量，等于电
磁振荡频率和普适作用量子（或称普朗克恒量——planck's con-
stant）的乘积。在光效应的原子性和电磁理论中能量传递的连续
性之间，存在着明显的矛盾；这种矛盾给我们提出了一个两难推
论，它是物理学中从未遇到过的。例如，尽管光传播的波动图景显
然不够完备，但却绝不存在把它换成某种以普通力学概念为基础
的其他图景的问题。特别是，必须强调，光量子不能被看成可以具
有通常力学意义下的确定轨道的一种粒子。如果我们用一个不透
明的物体把其中一个光束挡住，以保证光能只经过光源和屏之间
的二路程之一来进行传播，那么干涉图样就会完全消失；与此同
样，在必须重视光的波动结构的任何现象中，要想追寻个别光量子
的路径而不致严重地扰乱所研究的现象，也是不可能的。事实上，
我们的光传播颓说，在两个光束中的电振荡、磁振荡具有相同方向
的那些点上，两个光束所将分别引起的那些效果是加强的；在这种
振荡具有相反方向而两个波列又被称为具有异周相的那些点上，
二光束的效果减弱甚至可以消失。这种干涉图样给光传播的波动
图景提供了如此彻底的验证，以致这种图景不能看成通常意义下
的假说，而应该看成所观察现象的恰当解释。
　　 但是，大家知道，由于在能量传递的机构中发现了原子性的基
本特色，而且从电磁理论的观点看来这种原子性十分难以理解，因
此，近年以来，光的本性问题又重新被人们讨论起来。事实上，任
何的光能传递过程都可以追溯到一些个体过程；在每一个这样的
个体过程中，有一个所谓的光量子被交换；光量子的能量，等于电
磁振荡频率和普适作用量子（或称普朗克恒量——planck's con-
stant）的乘积。在光效应的原子性和电磁理论中能量传递的连续
性之间，存在着明显的矛盾；这种矛盾给我们提出了一个两难推
论，它是物理学中从未遇到过的。例如，尽管光传播的波动图景显
然不够完备，但却绝不存在把它换成某种以普通力学概念为基础
的其他图景的问题。特别是，必须强调，光量子不能被看成可以具
有通常力学意义下的确定轨道的一种粒子。如果我们用一个不透
明的物体把其中一个光束挡住，以保证光能只经过光源和屏之间
的二路程之一来进行传播，那么干涉图样就会完全消失；与此同
样，在必须重视光的波动结构的任何现象中，要想追寻个别光量子
的路径而不致严重地扰乱所研究的现象，也是不可能的。事实上，
我们的光传播图景的空间连续性和光效应的原子性，乃是两个互
补的方面；这种说法的含意是，它们说明着光现象的同等重要的两
个特点，这两个特点绝不能被置于直接矛盾的情况下，因为在力学
上对它们进一步加以分析时就要使用互相排斥的实验装置。同
时，正是这种情况迫使我们放弃光现象的完全的、因果性的说明，
并迫使我们只好满足于几率规律；这些规律所根据的事实是：能量
传递的电磁描述，在统计意义上仍旧是正确的。这就形成所谓对
应论证的一·种典型应用；所谓对应论证，就是表示要在最大程度上
力求应用经典力学理论及经典电磁理论中的概念，尽管这些玛论
和作用量子是矛盾的。
　　 在起初，这种情况可能显得令人很不舒服；但是，正如科学上
常常发生的情况那样，当新的发现使我们认识到一向认为不可缺
少的那些概念也有其本质的局限性时，我们就获得了这样的报酬：
我们得到更全面的看法和更高的能力，可以把过去甚至可能显得
互相矛盾的那些现象联系起来。确实，作用量子所表示的经典力
学的界限，曾经给我们提供了理解原子内在稳定性的一个线索；自
然现象的力学描述，就是以这种稳定性为其根本依据的。当然，原
子的不可分性无法用力学术语来理解，这从来就是原子理论的基
本特征；甚至在原子的不可分性被组成原子及分子的基本带电粒
子（电子和质子）的不可分性所代替以后，这种情况实际上也未改
变。我所要涉及的，不是这些基本粒子的内在稳定性问题，而是由
它们组成的原子结构的内在稳定性问题。如果我们从力学观点或
电磁理论观点来处理这一问题，我们晶应的原子性，乃是两个互
元素的特殊属性，甚至找不到充分根据来说明刚体的存在——我
们用来在时间和空间中整理各种现象的一切测量，归根结底是依
赖于刚体的存在的。这些困难，现在被一种认识所克服了；人们认
识到，一个原子的任何一次确定的变化，都是一个单独的过程，代
表着原子从它的一个所谓定态到另一个所谓定态的完整跃迁。而
且，既然在原子发射光或吸收光的跃迁过程中恰恰有一个光量子
被发射或被吸收，那么，通过光谱学的观察，我们就能直接测定每
一个定态的能量。通过研究原子碰撞中及化学反应中的能量交
换，这样得出的知识也曾经很有教益地得到了证实。
　　 近年以来，沿着对应论证的路线，原子力学曾经得到了显著的
发展；这种发展给我们提供了计算原子定态能量及计算跃迁过程
几率的适当方法，于是就使我们对原子属性所作的说明，变得像利
用牛顿力学来对天文经验所作的标示一样可以理解了。尽管原子
力学的一般问题比较复杂，但是，对于上述发展来说，我们在分析
较简单的光学现象时所得到的教益，却曾经是最为重要的。例如，
在定态概念的无歧义应用和原子内在运动的力学分析之间，存在
着一种互补关系，就如同光量子和辐射的电磁理论之间的互补关
系一样。事实上，追索跃迁过程之细致历程的任何企图，都将涉及
原子和测量仪器之间的一种不可控制的能量交换，这种能量交换
将完全打乱我及的，不是这些基本粒子的内在稳定性问题，而是由
它们组成的原子结构的内在稳定性问题。如果我们从力学观点或
电磁理论观点来处理这一问题，我们就找不到充分根据来说明各
元素的特殊属性，甚至找不到充分根据来说明刚体的存在——我
们用来在时间和空间中整理各种现象的一切测量，归根结底是依
赖于刚体的存在的。这些困难，现在被一种认识所克服了；人们认
识到，一个原子的任何一次确定的变化，都是一个单独的过程，代
表着原子从它的一个所谓定态到另一个所谓定态的完整跃迁。而
且，既然在原子发射光或吸收光的跃迁过程中恰恰有一个光量子
被发射或被吸收，那么，通过光谱学的观察，我们就能直接测定每
一个定态的能量。通过研究原子碰撞中及化学反应中的能量交
换，这样得出的知识也曾经很有教益地得到了证实。
　　 近年以来，沿着对应论证的路线，原子力学曾经得到了显著的
发展；这种发展给我们提供了计算原子定态能量及计算跃迁过程
几率的适当方法，于是就使我们对原子属性所作的说明，变得像利
用牛顿力学来对天文经验所作的标示一样可以理解了。尽管原子
力学的一般问题比较复杂，但是，对于上述发展来说，我们在分析
较简单的光学现象时所得到的教益，却曾经是最为重要的。例如，
在定态概念的无歧义应用和原子内在运动的力学分析之间，存在
着一种互补关系，就如同光量子和辐射的电磁理论之间的互补关
系一样。事实上，追索跃迁过程之细致历程的任何企图，都将涉及
原子和测量仪器之间的一种不可控制的能量交换，这种能量交换
将完全打乱我们所要研究的能量平衡。只有在所涉及的作用量远
远大于一个作用量子、从而可以把现象划分得更细的情况下，才能
够对经验进行因果性的力学描述。如果这个条件并不满足，那么
是，比起认为生物和钟表之类的纯机械装置相类似的那种看法来，
从一般化学经验得来的类似性（例如古代人们把生命和火相比拟
的作法），并不能提出有关生命机体的更加令人满意的解释。事实
上，生物的主要特征必须到一种奇特的有机体中去找；在这种有机
体中，可以用普通力学来加以分析的一些特点和典型的原子论的
特点交织在一起，其交织程度是无生命物质中的交织程度所无法
比拟的。
　　 关于这种有机体的发展程度，眼的构造和机能提供了一个有
教育意义的例证；在探讨眼的构造和机能方面，光现象的简单性又
曾经是最有帮助的。我不准备在这儿涉及细节问题，我只想提醒
大家，眼科学如何对我们揭示了作为一种光学仪器的人眼的理想
属性。确实，不可避免的干涉效应对成像所加的限制，实际上是和
一些网膜分区的大小相一致的，这些网膜分区各自有其独立的神
经和脑部相联。不但如此，既然每一网膜分区吸收单独一个光量
子就能造成视觉印象，那么，眼的灵敏度就可以说已经达到了光过
程的原子性所规定的极限了。在这两个方面，眼的效率实际上和
在下述装置中所得到的效率相同；这种装置就是，把一个良好的望
远镜或显微镜和一个适当的放大器联接起来，使得每一个单独过
程都可以被观察到。诚然，利用这样的仪器可以大大地增强我们
的观察能力，但是，由于受到光现象的基本性质的限制，比眼更有
效地适应其本身目的的仪器是不可设想的。现在，通过物理学的
最近发展而认识到的这种眼的理想精密性就使我们想到：其饲么
器官，不论是用来从环境接收信息的还是用来对感觉发生反应的，
也都会对其本身目的显示同样的适应性，而且，在这些器官中，用
作用量子来表示的那种个体性的特点，也会在和某种放大机构的
关系方面显示出具有决定意义的重要性。在眼中追索这种极限是
可能的，而在任何其他器官中则迄今为止是不可能的；其所以如
此，不过是由于以上曾经谈到的光现象的极端简单性而已。
　　 然而，认识到原子论特色在生命机体的机构中的根本重要性，
还绝不足以得到有关生物学现象的概括解释。因此，当前的问题
是，在我们根据物理经验而对生命有所理解之前，是不是在自然现
象的分析中还缺少某些基本的要素呢？尽管千变万化的生物学现
象实际上可以说是不可穷尽的，但是，如果不对“物理解释”所应有
的含义进行比作用量子这一发现所要求的更为深入的检验，那么
上述问题的答案就是无法得出的。一方面，在生理学研究中经常
出现的那些和无机物质的特色如此不同的奇妙特色，曾经把生物
学家引向一个信念，认为不可能按照纯物理的概念来正确理解生
命的重要特点。另一方面，设想有一种奇怪的、物理学所不知道的
“生命力”控制着有机生命，也很难使所谓活力论（vitalism）的观点
得到清晰的表达。事实上，我想我们大家都同意牛顿的看法：科学
的终极基础，就是关于大自然将在相同条件下显示相同效应的预
期。因此，如果我，由于受到光现象的基本性质的限制，比眼更有
效地适应其本身目的的仪器是不可设想的。现在，通过物理学的
最近发展而认识到的这种眼的理想精密性就使我们想到：其他的
器官，不论是用来从环境接收信息的还是用来对感觉发生反应的，
也都会对其本身目的显示同样的适应性，而且，在这些器官中，用
作用量子来表示的那种个体性的特点，也会在和某种放大机构的
关系方面显示出具有决定意义的重要性。在眼中追索这种极限是
可能的，而在任何其他器官中则迄今为止是不可能的；其所以如
此，不过是由于以上曾经谈到的光现象的极端简单性而已。
　　 然而，认识到原子论特色在生命机体的机构中的根本重要性，
还绝不足以得到有关生物学现象的概括解释。因此，当前的问题
是，在我们根据物理经验而对生命有所理解之前，是不是在自然现
象的分析中还缺少某些基本的要素呢？尽管千变万化的生物学现
象实际上可以说是不可穷尽的，但是，如果不对“物理解释”所应有
的含义进行比作用量子这一发现所要求的更为深入的检验，那么
上述问题的答案就是无法得出的。一方面，在生理学研究中经常
出现的那些和无机物质的特色如此不同的奇妙特色，曾经把生物
学家引向一个信念，认为不可能按照纯物理的概念来正确理解生
命的重要特点。另一方面，设想有一种奇怪的、物理学所不知道的
“生命力”控制着有机生命，也很难使所谓活力论（vitalism）的观点
得到清晰的表达。事实上，我想我们大家都同意牛顿的看法：科学
的终极基础，就是关于大自然将在相同条件下显示相同效应的预
期。因此，如果我们竟然能把关于生命机体的机构的分析推进到
原子现象的分析的地步，那么，我们就不应该期望找到无机物质所
没有的任何特点。然而，在这个两难推论中必须记住，生物学研究
管原子论特色有着本质上的重要性，但是，作为生物学研究的特点
的却是另一事实：我们永远不能把任一单独原子所在的外界条件，
控制得像原子物理学中基本实验的条件那样细致。事实上，我们
甚至不能说出哪些特定原子是确实属于某一生命机体的，因为任
何一种生理机能都伴随着一种物质交换过程，通过这种过程，一些
原子经常在组成生物的有机体中出出进进。事实上，这种物质交
换过程在一个生物机体的所有部分中扩展到这样一种程度，以至
于我们不能在原子规模下明确区分生物机构的两种特点：一种是
可以用普通力学来加以无歧义说明的，另一种是肯定需要考虑到
作用量子的。物理学研究和生物学研究之间的这一根本区别，意
味着不能给物理概念对生命问题的适用性走出一个明确的界限，
来和因果性力学描述领域及原子力学中的真正量子现象之间的界
限相对应。上述类似性的这种表观局限性，其根源一直深入到生
命和力学这些名词的定义，这种定义归根结底是公约性的。一方
面，如果我们不来分辨生命机体和无生命物体，而把生命概念引申
到一切自然现象中去，那么生物学中的物理学界限问题就不再有
什么意义。另一方面，如果我们按照日常语言把力学一词理解为
自然现象的无歧义的因果描述，那么像原子力学这样一个名词也
就没有意义了。我不准备进一步讨论这种单纯的术语问题；我只
要指出，我们所考虑的类似性，其要素也就在于两种事物之间的明
显互斥性：一方面是个体的自我保存和自我繁殖这一类典型的生
命特点，另特点。然而，在这个两难推论中必须记住，生物学研究
种本质上的互补特点，力学分析中所没有的目的概念，就在生物学
中找到了一定的用武之地。确实，在这种意义上，目的论的论证可
以认为是生理学描述中的合法特色；这论证适当照顾到生命的特
征，就像原子物理学中的对应论证照顾到作用量子一样。
　　 当然，在讨论纯物理概念对于生命机体的适用性时，我们曾经
像看待物质世界的任何其他现象一样来看待生命。然而，几乎用
不着强调，作为生物学研究之特征的这种态度，绝不能引起对生命
的心理学一面的任何忽视。恰恰相反，认识到力学概念在原子物
理学中的局限性，倒不如说是更适于调和生理学观点和心理学观
点之间的表现矛盾的。事实上，在原子力学中必须考虑测量仪器
和所研究客体之间的相互作用，这种必要性和心理分析中的一些
奇特困难很类似，那些奇特困难起源于这样一件事实：当把注意力
集中于心理内容的任一特殊方面时，心理内容本身就必然会改变。
这种类似性为心理一物理平行论提供了重要的阐释；把这种类似
性加以扩大将使我们离题太远。然而，我愿意强调一下，这儿所谈
的这种性质的考虑，是和想要在原子现象的统计描述中寻找对物
质行为加以精神影响的新可能性的任何企图都是完全相反的。例
如，人们有时说，某一原子过程在身体中发生的几率，可能受到意
志的直接影响；按照我们的观点，这种看法是不术语问题；我只
要指出，我们所考虑的类似性，其要素也就在于两种事物之间的明
显互斥性：一方面是个体的自我保存和自我繁殖这一类典型的生
命特点，另一方面是任何物理分析所必需的可分性。由于存在这
种本质上的互补特点，力学分析中所没有的目的概念，就在生物学
中找到了一定的用武之地。确实，在这种意义上，目的论的论证可
以认为是生理学描述中的合法特色；这论证适当照顾到生命的特
征，就像原子物理学中的对应论证照顾到作用量子一样。
　　 当然，在讨论纯物理概念对于生命机体的适用性时，我们曾经
像看待物质世界的任何其他现象一样来看待生命。然而，几乎用
不着强调，作为生物学研究之特征的这种态度，绝不能引起对生命
的心理学一面的任何忽视。恰恰相反，认识到力学概念在原子物
理学中的局限性，倒不如说是更适于调和生理学观点和心理学观
点之间的表现矛盾的。事实上，在原子力学中必须考虑测量仪器
和所研究客体之间的相互作用，这种必要性和心理分析中的一些
奇特困难很类似，那些奇特困难起源于这样一件事实：当把注意力
集中于心理内容的任一特殊方面时，心理内容本身就必然会改变。
这种类似性为心理一物理平行论提供了重要的阐释；把这种类似
性加以扩大将使我们离题太远。然而，我愿意强调一下，这儿所谈
的这种性质的考虑，是和想要在原子现象的统计描述中寻找对物
质行为加以精神影响的新可能性的任何企图都是完全相反的。例
如，人们有时说，某一原子过程在身体中发生的几率，可能受到意
志的直接影响；按照我们的观点，这种看法是不可能有什么明确意
义的。事实上，按照心理一物理平行论的广义解释，意志自由应该
看成和那样一种生物机能相对应的意识生活的特点，该种生物机
能不但不能适用因果性的力学描述，而且甚至也不能在物理上被
分析到足以明确适用原子物理学统计规律的那种程度。用不着进
入形而上学的猜测，我或许可以再说一句：对于“解释”这一概念的
分析很自然地要和取消对我们自己的意识活动的解释同始同终。
　　 最后，几乎用不到强调，我在这儿所说的一切，绝没有对物理
科学及生物科学的未来发展表示任何怀疑的意思。事实上，这样
的怀疑主义是现时代物理学家们所不能设想的；在这个时代，正是
由于认识到我们的最基本概念的局限性，才引起了物理科学的如
此惊人的发展。放弃对于生命的解释，也不曾妨碍已经在生物学
各分支中发生了的奇妙的进步，包括在医学上被证实为如此有益
的那些进步在内。即使我们不能在健康和疾病之间画一条明确的
分界线，只要我们不离开前进的大道，在作为本会议题的这一特殊
领域中就不会有怀疑主义存在的余地。从芬森（Finsen）的开创性
的工作开始，人们就已经沿着这一大道成功地前进了”。这一大
道的突出标志，就在于把研究光疗法的医学效果和研究光的物理
特点最为紧密地结合起来。



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※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]