光与生命*

尼尔斯·玻尔

编者按

这篇文章出自尼尔斯·玻尔在哥本哈根举行的国际光疗大会上的讲话。大会本来想邀请玻尔向大家介绍一下光对于治疗疾病的好处，但实际上玻尔讲的是光在新量子理论中的概念对生命科学的潜在意义。玻尔说：虽然描述光量子行为的波动理论还不够完善，但仍可能把光看作是量子力学中的一个“粒子”。他指出：任何想精确测量光子轨迹的尝试都必然会破坏波的干涉现象。他说这一问题使人们不得不放弃对光现象的纯因果描述。

玻尔在第二部分中指出，量子理论的拓展远远超过了原子物理的范畴。植物的碳同化作用肯定包含着光与物质之间发生相互作用的量子本质，人眼只能看到几个光子说明它的结构反映了光学上的量子极限。玻尔将物理学和生物学中的不确定性进行了类比。对生物体过于精密的研究可能会对它们的重要器官产生干扰，就像物理学家为了研究粒子必须干扰它们一样。也许生命和意识是永远不能被解释清楚的，只能把它们当成不言自明的公理，物理中的量子现象也是如此。ft　　英文

第一部分

作为一个研究领域仅限于非生命物质的物理学家，在接受盛情邀请来到这个科学界人士云集的大会介绍光对于治疗疾病的有利影响时，我还是有点犹豫的。因为我无法致力于这个对造福人类有重要贡献的精彩科学分支，我至多只能对纯粹的无机光学现象发表评述，光现象对古往今来的物理学工作者来说一直有着特殊的吸引力，一个重要的原因是光是我们的主要观测手段。然而，我认为，在这样的场合谈一谈物理学范畴内的研究成果对我们认识生物体在自然科学领域中的地位具有什么样的意义也许是一件有趣的事情。ft　　英文

尽管生物体中的秘密难以捉摸，但这个问题在科学发展的每一个阶段都会被提出来，因为科学上的探索就是要把对复杂现象的描述还原为简单的原理。然而现在，原子理论的最新进展表明，人们对自然现象的力学描述在本质上存在着不可抹杀的局限性，这一意想不到的发现重新燃起了大家对这个古老问题的兴趣。事实上，人们最先是在对光与物体之间相互作用的全面研究中认识到这一局限性的，该现象所揭示的特性无法与迄今为止已形成的物理学理论相统一。正如我将努力向大家说明的那样，物理学家们为解决这一问题所做出的努力，在某种程度上类似于生物学家对待生命现象时多多少少有点依据直觉的方式。但我马上要说明的是，光这种在物理学中可能是最不具有复杂性的现象，只是在这一点上与多样性远远超出科学分析范畴的生命现象相似。ft　　英文

从物理学的观点看，光可以被定义为相隔一定距离的物体之间的能量传播。大家都知道，利用电磁学理论就可以简单地解释这样的能量传递，这也许可以被看作是对包括超距作用和接触力在内的经典力学的直接拓展。根据这一理论，光可以被描述为耦合的电磁振荡，它们与无线电广播中使用的普通电磁波一样，只不过具有较高的频率和较短的波长。事实上，我们之所以可以通过直接观察或适当的光学仪器来判断物体的位置是因为光具有直线传播的特性，而这种特性完全依赖于光的波长比相关物体和观测工具的尺度要小很多。ft　　英文

然而，光具有波动性的思想不仅能为我们提供解释颜色现象的依据，在光谱学中颜色能提供有关物质内部结构的重要信息，而且它对于每一种光学现象的详细分析也是必不可少的。至于代表性的例子，我只需提及干涉条纹就可以了，当从一个光源发出的光沿着两条不同的路径投射到一个屏幕上时，就会出现干涉条纹。在这种情况下，我们发现在屏幕上两列波位相一致时，也就是说两束光的电磁振动方向相同时，分开的两个光束将在这些点上产生增强，而在电磁振荡方向相反也就是说两列波彼此异相时，光强将减弱甚至有可能消失。这些干涉条纹使人们能够精确地检测光传播的波动性，因而波动概念不再是一种通常意义上的假设，而有可能被认为是描述所观察到的现象中不可或缺的要素。ft　　英文

尽管如此，大家都知道，近几年人们又开始讨论光的本质这个问题了，这是因为人们发现在能量传输中有一个特殊的原子性质，这个特殊性质无法用电磁理论来解释。事实上，所有的光效应都可以被看作是一个单独的过程，在每一个这样的过程中，发生了所谓的一个光量子交换，光量子的能量等于电磁振荡频率与基本作用量子（或称普朗克常数）的乘积。这个光的原子性与电磁理论所要求的能量传输连续性之间的明显对立使我们陷入了一个有关迄今为止在物理学中仍不清楚的性质的困境。因为尽管波动理论还明显不够完善，但是毫无疑问，我们仍可以用在经典力学思想框架下的任何其他的光传播理论来取代它。ft　　英文

应该特别强调的是，引入光量子这个概念决不意味着对旧思想的回归，即认为光能的载体是有明确路径的实物粒子。实际上，任何尝试追踪单个光量子路径的行为都会干扰被研究的对象，这是所有光学现象共有的特征，波动性在描述光学现象时是不可缺少的；正如如果在光源和屏幕之间有两条路径，我们为了确保光只沿着其中的一条路径传播，就应该在另一条路径上引入不透光的物质，这样干涉条纹就会完全消失。因此，一方面是光传播的空间连续性，另一方面是光效应的原子性，它们应该被看作是一件事情相互补充的两个方面，从这个意义上说，每一个方面都代表了光现象的一个重要特征，尽管从力学角度上看它们是不可调和的，但也绝对不是完全对立的，因为要用力学方法进一步分析其中一个特征或另一个特征就需要排斥对方的实验装置。ft　　英文

然而，这种情况使我们不得不放弃对光现象的完整因果描述而安于概率计算，原因是用电磁理论描述光的能量传输在统计学意义上仍然有效。这种计算是所谓一致论的典型应用，它显示出我们在努力通过对力学和电磁学概念的有限运用获得对原子现象的统计学描述，这似乎是经典物理理论的一个理性概括，虽然经典物理学认为必须把作用量子看成是非理性的。ft　　英文

这种情形也许初看起来非常令人遗憾；但正如科学史上经常发生的，当我们从新发现中察觉到一个普遍适用性从未被人置疑过的思想存在本质上的局限时，我们就已经从相关现象中得到了更广的视野和更强的能力，而这种现象或许在以前就曾作为对立的情况出现过。因此，作用量子象征着经典力学出现了前所未有的局限性，这种局限性给我们提供了理解原子具有特殊稳定性的线索，而原子所具有特殊稳定性是用经典力学理论描述所有自然现象的基本假设。经典力学理论无法理解原子是不可分割的，而毫无疑问通常突显了原子理论的特性；这一点至今没有本质上的更改，尽管后来的物理学已经用基本带电粒子替代了不可分割的原子，而且现在认为各种元素的原子以及化合物中的分子都是由电子和原子核这些基本粒子构成的。ft　　英文

然而，我在这里并不想谈及这些基本粒子的固有稳定性问题，而是要探究构成这些结构所必需的稳定性。事实上，以能量存在持续传递可能性为特征的经典力学和电磁理论是不能与对元素和化合物性质的解释达成一致的。的确，我们甚至不能用经典理论来解释刚体的存在，而为了测量空间和时间中的有序现象必须有赖于刚体。但是，由于作用量子的发现，我们了解到原子或分子能量的每一次改变都必须被看作是一个单独的过程，在这样的过程中原子从它的一个定态跃迁到了另一个定态。此外，因为在一个原子发射光或吸收光的跃迁过程中只会有一个光量子产生或消失，所以我们能够通过光谱观测直接测量每一个定态的能量。人们通过对原子碰撞和化学反应中能量交换的研究已经非常有效地确证了由上述方法得到的数据。ft　　英文

近些年来，原子理论取得了长足的进步，它足以为我们提供计算定态能值和跃迁概率的方法，因而我们根据一致论得到的有关原子性质的结论在完整性和自洽性方面几乎与用牛顿力学解释天文观测结果的水平不相上下。虽然只有在引入新的符号处理技巧之后才有可能合理地解决原子力学的困境，但在分析光学现象时的经验对于我们评估原子力学的发展仍然有非常重要的意义。因此，确立定态概念是对用力学法分析原子内部运动的补充；同样，引入光量子概念是对电磁辐射理论的补充。任何追踪跃迁详细过程的尝试都会使原子和测量仪器之间发生不可控的能量交换，会彻底干扰我们要研究的能量转移过程。ft　　英文

经典意义中的因果描述只有在相互作用远大于作用量子时才可能成立，因此，在基本不干扰它们的情况下是有可能对这些现象进行细分的。而在不满足上述条件的情况下，我们就不能忽略测量仪器与被研究物体之间的相互作用，为了得到完整的力学描述，我们需要考虑使用不同的测量方法，而这些测量只有通过相互排斥的实验装置才能得到。为了充分了解用力学分析原子现象的基本局限性，我们必须清楚地、深刻地认识到，在物理测量中，绝不可能直接将物体和测量仪器的相互作用考虑在内。因为当仪器被用作观察手段的时候，就不能把它们包括在研究对象之中。正如广义相对论所表述的观点，物理学现象在本质上依赖于用于描述它们在空间和时间中坐标的参考系，因而原子物理学中的互补概念就用来表示基本的局限性，即我们根深蒂固的理念是现象不依赖于观测手段而独立存在。ft　　英文

（姜薇　翻译；张泽渤　审稿）

第二部分

人们对力学基本理论的修正引申出这样一个问题，即一个物理学解释可能会意味着什么，然而这不仅仅是解释原子理论中的现象所必需的，也为讨论物理学与生物学之间的相关性奠定了一个新的基础。当然，这绝不意味着我们在原子现象中发现的特征与普通的物理学效应相比更接近于生物体的性质。初看起来，原子力学所具有的基本统计学特点似乎难以与人们对所有生物体都具有的超精细组织的解释相匹配，这种超精细组织可以把本物种的所有特征植入一个微小的生殖细胞中。ft　　英文

然而，我们绝不能忘记：原子过程所特有的规律性不能用因果机制表示，只能借助互补模式描述，这种规律性至少在对生物体行为的描述和对无机物特性的解释上具有同等的重要性。因此，在植物的碳同化、同时也是动物养分的主要来源的生成过程中，我们正在研究的是一个现象，为了理解这个现象，必须确确实实地去考虑参与光化学反应的个体特性。另外，像在植物同化与动物呼吸作用中扮演重要角色的叶绿素和血红蛋白，它们所具有的复杂程度如此高的化合物的特性，也明显地表现出原子结构独特的稳定性。ft　　英文

然而，由化学知识类推解释生命体，诚然会比在古代将生命比作火更贴切，却不会强于人们常说的生命体与纯机械制造物如钟表发条之间的类比。毫无疑问，必须在特定的生物组织中探寻对生命本质特征的理解，在研究这些组织的特征时，将用普通力学进行分析并且以与无机物不同的方式交织着一些典型的原子特性。ft　　英文

通过研究眼睛的构造与功能，我们得到了有关这个已经发展得十分精细的组织的有用信息，也再一次地显示光现象的简单特性是非常有用的。我无需在这里详述细节，但想回顾一下眼科学是如何向我们揭示作为一种光学装置的人眼的理想特征的。实际上，由于光的波动性，干涉图像的尺寸规定了眼成像的限度，而干涉图像的尺寸与视网膜的分区相符，其中每个分区都有单独的神经与脑相连。此外，因为在这样的视网膜分区中，只要吸收几个光量子，或者也许只要吸收一个光量子就足以产生视感，有人甚至说眼睛的敏感程度已经达到了光效应的原子特性所设置的极限。在两个方面，眼睛的效能同那些连有合适放大器的高性能望远镜或显微镜一样，可以观测到单个过程。利用这样的仪器确实能从根本上提高我们的观察能力，但由于光的性质所设置的极限，在人们可以想象得出的仪器中，没有一种可以与眼睛的灵敏度相比。现在，眼睛这种只有借助物理学的最新发展才能被深刻认识的理想化结构也说明了其他的器官，不管它们的作用是接收来自周围环境的信息，还是对感觉印象做出反应，都同样会表现出与自身功能相适应的特点，在这类情况下，由作用量子所代表的个性特征以及一些放大机制起着关键性的作用。目前，我们尚无法知道除眼睛外其他器官的极限，而眼睛只取决于比其他物理现象简单得多的光现象。ft　　英文

然而，仅仅认识到运用原子论基本原理来说明生物体功能的必要性还不足以全面解释生物学现象。因此，我们要讨论的问题是，在我们能够用物理学观点解释生命现象之前，是否还缺少一些分析自然现象所需的基本特征。如果不去考证我们通过物理学解释而理解的内容，就很难得到这个问题的答案，更何况现实中生物现象的类别多得无法列举，这要比发现作用量子对我们的推动意义更深远。一方面，通过生理学研究不断揭示出的神奇特征与无机物的特征有着显著的差别，这使许多生物学者怀疑用纯物理学的方法是否可以真正理解生命的本质。另一方面，人们通常称为活力论的观点，不能正确地解释有一种特殊的生命力掌控着所有有机体的古老假设，在物理学中也不存在这样的力。我认为我们都赞同牛顿的观点，即科学的真正基础在于确信自然界在相同条件下会表现出同样的规律性。因此，如果我们能够把对生命体机理的分析推进到原子现象的层面，我们就不应该期待会发现任何有别于无机物的特点。ft　　英文

然而，当我们面临进退两难的困境时，我们必须记住，生物学和物理学的研究条件并不完全对应，因为前者要受到研究对象必须是活体的限制，而在后者中则不存在这样的限制。因此，如果我们试图对动物的器官展开研究以便描述单个原子在生命活动中的功能时，我们无疑会杀死一只动物。在对活体进行的每一次实验中，都肯定会存在因个体生理条件不同而导致的不确定性，这个观点本身说明，在这方面，即使我们允许生物体具有最低的自由度，也足以让生命体可以对我们隐藏其最根本的秘密。根据这个观点，我们应该把生命的存在看作是不能被解释的基本事实，而以此作为生物学研究的起点，这与作用量子类似，在经典机械物理学中，作用量子被看作是一种非理性的成分，而它与基本粒子一起构成了原子物理学的基础。从这个意义上说，宣称用物理或化学方法不可能解释生命体的功能就类似于用经典力学不能理解原子的稳定性。ft　　英文

然而，在进一步研究这个类比时，我们一定不要忘记物理学中的问题和生物学中的问题存在着本质上的不同。在原子物理学中，我们是从形式最简单的物质的性质入手的，而在生物学研究中具有根本性意义的是物质系统的复杂性，因为即便是最原始的生物也包含大量的原子。的确，经典力学的应用范围广泛，其中包括我们在研究原子物理时使用的测量仪器，要想在描述由大量原子组成的物体中应用经典力学就必须在很大程度上忽略伴随着作用量子的互补性。然而，在生物学研究中，人们通常不能像在原子物理学基础实验中那样控制单个原子所处的外部条件。实际上，我们甚至不知道哪些原子是真正属于生物体的，因为任何生命活动都伴随着物质的交换，原子不断地被构成这个生物体的组织吸入和排出。ft　　英文

物理学研究和生物学研究之间的这种本质不同暗示着人们无法明确地划分出在运用物理学原理解释生命现象时的界限，这也相当于因果力学描述的场和原子力学中固有量子现象之间的区别。然而，上述事实对这个类比的限制似乎从根本上取决于我们如何运用像物理学和力学这样的词。一方面，如果依照物理学这个词的原始意义，我们就应当把它理解为是对所有自然现象的描述，那么认为物理学在生物学中的运用受到限制就失去了意义。另一方面，如果在通用语言中我们用力学这个词只表示对现象的清晰的因果关系的描述，那么像原子力学这样的术语就会引起人们的误解。ft　　英文

我不打算在这里进一步讨论这些纯逻辑学上的观点，但只想补充一点，即典型的互补性关系构成了这个类比的本质，这种关系存在于物理分析所需的细分与诸如自卫本能和个体繁殖这样的典型生命现象之间。事实上，正是由于这个原因，在力学分析中不曾有过的目的性概念，在必须考虑生命本质的领域中得到了应用。从这个方面来说，目的论在生物学中所扮演的角色使人回想起人们曾努力用对应的自变量将作用量子以一种理性模式引进到原子物理中。ft　　英文

在我们讨论用力学概念描述生物体时，我们对待它们和对待其他实物没有什么两样。然而，我无需强调这种生理学研究中特有的态度并没有任何对生命的心理问题的漠视。人们对力学概念在原子物理中所受限制的认识似乎更适合于理解生理学与心理学在观点上的明显对立。的确，在原子物理学中需要考虑测量仪器与研究对象之间的相互作用十分类似于在心理学分析中遇到的特定困难，该困难起源于当注意力集中在任何一个单一的功能上时，心理内容总在不断变化。ft　　英文

当适当考虑生物学的特性时，这个类比为阐明所谓的身心并行说提供了一个新的起点，这样说将使我们过于偏离我们要讨论的题目。然而，关于这一点，我想强调的是，这里谈到的观点完全不同于想借助在分析原子现象时因果描述受到的局限而极力推崇物质现象很可能会直接受到精神影响的看法。例如，当人们认为也许可以利用特定原子过程的规律来研究在有机体中的意志及其作用域时，原子理论只能为其建立概率的计算，我们正在谈论的这个观点与刚才提到的身心并行说水火不相容。确实，依据我们的观点，意志对自由的感受必须被看成是意识生活所特有的性质，人们必须在器官的功能中寻找与其对应的物质，既不允许力学因果描述也不能允许充分彻底地运用原子力学中的统计规律来进行物理学研究。除了形而上学的思索以外，我也许可以补充说，所有对一个解释的概念的分析都以放弃对我们自身意识行为的解释开始，也以放弃对意识行为的解释而结束。ft　　英文

最后，我想强调的是，我并不希望大家把我的话理解为是对未来物理学和生物学发展的怀疑。实际上，现在这个时代的物理学家绝不会抱有怀疑论的思想，因为科学已经在人们认识到最基本的概念存在局限性的基础上发生了深刻的变革。近期人们在生物学所有分支取得的惊人进展并没有受到放弃对生命问题本身的解释的影响，而且这些进展也相当有益于医术的发展。即使我们不能从物理学角度明确地区分健康与疾病，我们也没有理由怀疑在本次会议上所达成的对重要问题的解释，由于我们没有偏离科学发展的道路，因此从芬森的早期工作到现在已经取得了很大的进展，而此项工作明显的标志是光疗医学效应的研究和物理学研究的最紧密的结合。ft　　英文

（吴彦　翻译；张泽渤　审稿）

* 这是1932年8月15日玻尔在于哥本哈根召开的国际光疗大会开幕式上发表的讲话。本文与丹麦版（《自然世界》，第17卷，第49页）是一致的，但与公开出版的会议报告不完全一样，区别在于把一些口语化的文字改成了比较正式的形式。