|
（1937年10月在波洛尼亚纪念路·伽瓦尼的物理学和生物学会议上的演讲。）
伽瓦尼（Galvani）的不朽工作，在整个科学领域中开展了一个新时代；他的工作是一个最辉煌的例证，说明把对无生命自然界规律的探讨和对生命机体属性的研究密切结合起来是极有成果的。因此，借此机会回顾一下多少年来科学家们对物理学和生物学之间的关系问题所持的态度，特别是讨论一下最近期间原子理论的非凡发展在这方面所创造的前景，可能是合适的。
自从科学刚刚萌芽的时候起，在企图对干变万化的自然现象得到一种概括的看法方面，原子理论就曾经成为兴趣的焦点。例如，德漠克利特（Democritus）就曾经以非常深刻的直觉能力强调过，对于物质普通属性的任何合理说明，都需要用到原子论；大家知道，他也曾经企图利用原子论的概念来解释有机生命的特色，甚至解释人类心理的特色。由于这种极端唯物的观念带有相当的幻想性，所以就引起了一种很自然的反作用：亚里斯多德（Aristotle），以其对当时物理知识及生物知识的同样精湛的理解，完全地摒弃了原子理论，并试图提供一个充分广阔的构架，以根据本质上是目的论的概念来说明丰富的自然现象。然而，由于人们逐渐认识到一些基本自然规律对无生物体和有生机体都同样适用，亚里斯多德学说的夸大性也就被揭露了出来。
在这方面，当想到以后成为物理学真正基础的那些力学原理的建立时，注意到下述事实是不无兴趣的：按照大家熟悉的一种传说，阿基米德（Archimedes）关于浮体平衡原理的发现，是受到了他自己的身体在浴盆中升起时的感觉的启示，但这一发现也同样可能根据石头在水中会变轻的那种普通经验来得到。同样，伽利略（Galileo）通过观察美丽的比萨教堂中的挂灯摆动而认识了动力学的基本规律，而不是通过注视秋千上的一个小孩而认识了这种规律，这也应该认为是十分偶然的。但是，对于人们逐步认识到控制着自然现象的那些原理的本质统一性来说，这种[生物和无生物之间的]纯粹外表上的类似性，当然不会起多大作用；它当然不如生命机体本和工业机械之间的那种根源深远的相似性来得重要。这种相似性，通过解剖学和生理学的研究而被揭示了出来；这种研究在文艺复兴时代曾经进行得非常强烈，尤其是在这儿，在意大利。
这种对待自然哲学的新的、实验性的处理方式，从两个方面受到了同样的鼓励，那就是，由哥白尼（Copernicus）的见解而带来的世界图景的扩大，以及由哈维（Harvey）的伟大成就而引起的对于动物身体中循环机构的阐明。这种处理方式开辟了一些前景；对于这种前景所抱的热诚，在玻勒利（Borelli）的工作中得到了或许是最突出的表现，他曾经非常细致地阐明了骨骼和肌肉在动物运动中所起的机械功能。这种工作的经典性，绝没有因为玻勒利本人及其门人的企图而受到妨害；他们企图也用原始的机械模型来解释神经作用和腺体分泌作用。这种企图的明显的武断性和粗糙性很快地就惹起了普遍的批评；通过人们给玻勒利学派所起的“医术物理学家”（iatro－physicists）这一个半讽刺的名字，我们至今还记得这种批评呢。同样，人们也曾经力图把日益丰富的纯粹化学变化的知识应用到生理过程上去；这种努力的根基是稳固的，而且在绥尔威（SylVills）那儿找到了非常热诚的代表人；但是，由于夸大了消化及发酵和最简单无机反应之间的表面类似性，由于过于急迫地把这种类似性用于医学目的，这种企图也招致了一种反对，以致人们把这种早熟的努力标名为“医术化学”（iatro－chemistry）。
在我们看来，利用物理学和化学来概括说明生命机体性质的这种开创性的努力之所以收获不大，其原因是很明显的。人们不仅要等到拉瓦锡（Lavoisier）的年代才能揭露化学的基本原理（这种原理后来要为理解呼吸作用提供线索，然后又为所谓有机化学的非凡发展提供基础），而且，在伽瓦尼的发现以前，物理学规律的一个根本方面还没被发现。想想这种事情是很有启发性的：一种萌芽，在伏打、奥斯特、法拉第和麦克斯韦（Volta，Oersted，Fara－day，Maxwell）等人的手中将要发展成一种其重要性可以和牛顿力学分庭抗礼的理论结构，而这种萌芽却是从一种有着生物学目的的研究中生长出来的。事实上，检测伽瓦尼电流所必需的并在以后顺利制成的灵敏仪器，如果没有由大自然本身在高等动物的神经纤维中提供了榜样，那么，尽管在富兰克林（Franklin）的手中很有成果地进行了有关带电体的实验，要从这种实验进步到伽瓦尼电流的研究那也是很难想像的。
在这儿，即使只是提纲式的，要来叙述一下伽瓦尼以来的物理学和化学的惊人发展，或是列举一下上世纪生物学一切分支的各种发现，那都是办不到的。从马耳皮基（MalPighi）和斯帕兰扎尼（Spallanzani）在这所可尊敬的大学中进行的开创性工作到近代的胚胎学和细菌学，或者是从伽瓦尼本人到最近的有关神经冲动的绝妙研究，我们只要回想一下这样的发展路线也就够了。尽管这样对于很多典型生物学反应的物理方面和化学方面得到了影响远大的理解，但是，机体结构的出奇精致性，以及机体中相互联系着的调节机构的多样性，仍旧如此遥远地超过关于无生自然界的任何经验，以至于我们仍旧感到和以往一样不能沿着这种路线来对生命本身得到一种解释。事实上，最近发现了所谓病毒的毒化效应和生殖性质，当我们亲眼看到这一发现在和上述问题有关的方面所引起的热烈的科学争论时，我们感到自己面临着一个两难推论，就像德谟克利特和亚里斯多德所面临的问题一样他尖锐。
在这种形势下，虽然是在一种非常不同的背景上，人们的兴趣又都集中到原子理论上来了。因为道耳顿（Dalton）曾经应用原子论的观念来阐明化合物组成所服从的定量规律并得到了十分肯定的成功，所以原子理论已经变成一切化学推理的不可缺少的基础和无往而不利的指南；不仅如此，物理学中实验技术的惊人改进，甚至为我们提供了一些方法来研究和个体原子的作用直接有关的那些现象。这种发展彻底清除了这样一种传统偏见：由于我们感官的粗糙性，关于原子确实存在的任何证明都永远是人类经验所不能达到的。同时，这种发展所揭示的自然规律中的原子性特征，也比物质之有限可分性这一古老学说所表示的更为深入。我们事实上已经体会到，如果要理解真正的原子现象，我们的观念构架——既适于用来说明我们日常生活经验的，又适于用来表述宏大物体之行动所适合的并构成所谓经典物理学这一辉煌大厦的全部定律体系的那种构架——就得从根本上加以扩展。然而，为了理解自然哲学中这种新形势在合理态度上对于生物学基本问题所提供的可能性，必须简单地回忆一下引导我们认识到原子理论现状的主要发展路线。
如所周知；近代原子物理学的起点，就在于对于电的本身的原子性的认识；这种原子性，首先通过法拉第有关电解的著名研究指示了出来，而后通过稀薄气体的美丽放电现象中电子的分出而确定了下来；在上世纪末叶，稀薄气体的放电现象吸引了人们很大的注意。虽然J．J．汤姆孙（Thomson）的光辉研究很快地就显示了电子在千变万化的物理现象和化学现象中所起的重要作用，但是，直到卢瑟福（Rutherford）发现原子核为止，我们关于物质结构单位的知识一直是不完全的；卢瑟福的发现，使他在某些重元素的自发放射性增变方面的开创性工作得到了极大的荣誉。事实上，这种发现第一次对普通化学反应中的元素不变性提出了一种确凿的解释；在普通化学反应中，微小而沉重的原子核保持不变，只有原子核周围的轻微电子的分布才会受到影响。此外，这种发现不但对天然放射性的起源提供了直接的理解（在天然放射过程中，我们遇到原子核本身的爆裂），而且也为元素的感生嬗变提供了直接的理解；这种感生嬗变是卢瑟福在后来发现的：用高速重粒子轰击元素，当这些粒子和原子核碰撞时就可以使原子核发生蜕变。
要在这儿进一步讨论原子核增变的研究所打开的神奇的新研究领域，就离题太远了；关于原子核的嬗变，将是物理学家们在本届会议上的主要论题之一。我们的论证要点，事实上不能到这种新经验中去找，而要到下述事实中去找：除非激烈地脱离开经典的力学概念和电磁学概念，否则就不可能根据卢瑟福原子模型的已经确立的主要特点来说明普通的物理现象和化学现象。事实上，虽然牛顿力学对于开普勒（Kepler）定律所表示的行星运动的和谐性有所洞察，但是，像太阳系这种力学模型的稳定性却和原子的电子组态的内在稳定性不尽相同；当太阳系这一类的体系受到扰动时，它并没有返回原有状态的趋势，而原子的内在稳定性则是说明各元素的不同属性所必需的。最重要的是，原子的内在稳定性已由光谱分析肯定证明了。如所周知，光谱分析曾经表明，每一种元素都具有一种由明锐谱线组成的特征光谱；这种光谱对于外界条件的依赖性小到那样的程度，以致我们得到了一种通过光谱仪的观察来鉴定极远星体的物质组成的方法。
然而，解决这种两难推论的一个线索，早已由普朗克关于基本作用量子的发现提供了出来；这种发现，是另一种很不相同的物理研究的结果。如所周知，这种发现，是普朗克通过对物质和辐射之间的热平衡的特点进行天才的分析而得到的；按照热力学的普遍原理，这种热平衡的特点应该和物质的特性完全无关，从而也应该和关于原子结构的任何特殊概念完全无关。事实上，基本作用量子的存在表明着物理过程的个体性的新面貌；这种新面貌是经典的力学定律和电磁学定律所完全没有的；这种新面貌把各该定律的适用性本质上局限于那样一些现象：它们所涉及的作用量大于普朗克的原子论式的新恒量所定义的单个量子。这个条件虽然在通常物理经验的现象中是充分满足的，但对原子中的电子行动却是根本不成立的；而且，事实上只是由于作用量子的存在，才使电子不能和原子核熔合成一个中性的、实际上可以看成无限小的重粒子。
认识到这种情况就立刻使我们想到，每一电子和原子核周围的场的结合，可以描述为一系列的个体过程；通过这种过程，原子将从它的一个所谓定态转变到另一个所谓定态，并以一个单独的电磁辐射量子的形式放出其被释放的能量。这种观点和爱因斯坦对于光电效应的很成功的解释是很相近的，而且，通过弗朗克（Franck）和赫兹（HertZ）在用电子碰撞原子而激发光谱线的方面所作的优美的研究，这种观点得到了极有说服力的证实。事实上，这种观点不但直接解释了巴尔末、黎德堡和里兹（Balmer，Ryd－berg，Ritz）等人所发现的那种费解的线光谱普遍定律，而且，在光谱学证据的帮助下，这种观点也逐渐导致了原子中任一电子的定态类型的系统化的分类法；这种系统化的分类法，可以完全说明著名的门捷列也夫周期表中所表示的元素物理性质及化学性质之间的那种可惊异的关系。这样一种关于物质属性的说明，显得似乎是一种古老想法的实现：把自然规律的表述归结为纯数的研究；这简直超过了毕达哥拉斯学派（Pythagoreans）的梦想。关于原子过程之个体性的基本假设，同时涉及本质上放弃物理事件之间的细致因果联系的问题；这种细致的因果联系多少年来曾经是自然哲学的无可怀疑的基础。
要回返到和因果原理能够相容的描述方式吗？任何这样的问题都被多种多样的毫不含糊的经验所否决了。不但如此，人们很快地就证实，把想要说明原子理论中作用量子之存在的那种原始企图发展成一种适当的、本质上是统计性的原子力学是可能的；这种原子力学，在无矛盾性和完备性方面都可以和经典力学这一理论结构充分媲美，它是经典力学的一种合理的推广。如所周知，这种新的所谓量子力学的建立，主要应归功于年轻一代物理学家们的天才贡献；这种量子力学的建立，且不说它在原子物理学的和化学的一切分支中所取得的惊人成就，事实上它已经根本澄清了原子现象之分析及综合方面的认识论的基础。在这一领域中，就连观察问题本身也曾受到海森伯（Heisenberg）的修正；海森伯，他是量子力学的主要创始人之一。这种修正，事实上引导人们发现了一向不曾注意的先决条件——无歧义地应用那些甚至是最基本的、描述自然所根据的概念时的先决条件。这儿的分界点在于这样一种认识：任何按照经典物理学的习惯方式来分析作用量子所规定的那种原子过程之“个体性”的企图，都会受到一种不可避免的相互作用的破坏，这种相互作用存在于有关的原子客体和为此目的所必需的测量仪器之间。
这种情况的一个直接后果就是，利用不同实验装置对原子客体的行动所作的一些观察，一般并不能按照经典物理学的通常方法来相互结合。特别说来，以在空间和时间中标示原子中的电子为目的的任何假想过程，将不可避免地带来原子和测量装置之间的一种本质上不可控制的动量交换和能量交换，这种动量交换和能量交换将把作用量子所对应的原子稳定性的显著规律性完全消除掉。反之，这种规律性的说明蕴涵着能量和动量的守恒定律，而这种规律性的任何考察，都会在原则上带来对原子中个体电子的时空标示的放弃。于是，在这种互斥条件下得到的经验，显示着量子现象的不同方面；这些方面绝不是不相容的，必须认为它们是以一种新颖的方式而“互补”的。事实上，“互补性”这种观点，绝不意味着随便地放弃对于原子现象的分析；相反地，它表示着这一领域中的丰富经验的一种合理综合；这一领域超出了因果性这一概念的自然适用界限。
虽然这种探究的进行受到了相对论这一伟大范例的鼓舞，而正是通过揭露无歧义地应用一切物理概念的出人意表的先决条件，相对论才开辟了概括表面上不相容的现象的新可能，但是，我们必须知道，在近代原子理论中所遇到的形势是在物理学史上没有先例的。事实上，通过爱因斯坦的工作，经典物理学的观念构架得到了一种可惊异的统一性和完备性；整个这一观念构架建立在这样一种假设的基础上：可以把物质客体的行动和它们的观测问题区别开来；这种假设和我们在物理现象方面的日常经验适应得很好。要想在这种不能无限制应用的常见的理想化方法方面为原子理论寻求类似的教益，我们事实上必须到心理学这一类的完全不同的科学分支中去找，甚至要到前辈思想家如释迦牟尼和老子所遭遇的那样一些认识论问题中去找；当他们企图调和我们在宇宙大舞台中既作为观众又作为演员的两种不同地位时，他们就遇到这种问题。但是，承认在相隔如此遥远的人类兴趣领域中出现着的问题之间会有一种纯粹逻辑方面的类似性，绝不意味着要在原子物理学中接受和真正科学精神不相容的任何神秘主义；相反地，这种认识鼓励我们去检验一个问题：当把我们的最简单的概念应用于原子现象时，我们会遇到一些出人意料的佯谬问题，这种佯谬问题的直截了当的解决是否有助于澄清其他经验范围中的思维困难？
有不少的启示使我们在生命或自由意志和原子现象的那样一些特色之间来寻找一种直接的关联；为了理解那种特色，经典物理学的构架显然是太狭窄的。事实上，可以指出生命机体的反应有很多特征，例如视觉的灵敏性或是穿透性辐射对于基因突变的诱导；这种特征无疑地和个体原子过程后果的一种放大过程有关；这种放大过程和作为原子物理学的实验技术基础的那种过程相类似。但是，生物机体及调节机构的精致性远远超过预期的情况，这一认识仍然不能帮助我们说明生命的特征。事实上，所谓生物学现象的整体方面和目的方面（holistic
and finalistic
aspects），肯定不能直接用通过作用量子的发现而揭露出来的原子过程的个体性特色来加以解释；倒不如说，量子力学的统计本质，初看起来甚至是增加了理解真正的生物学规律性的困难。然而，在这种两难推论中，原子理论的普遍教益就启示我们，要想把物理学定律同适用于描述生命现象的概念调和起来，唯一的途径就是要检查观察物理现象和观察生物现象的条件的本质区别。
开宗明义，我们就得注意这样一件事实：如果我们用一种实验装置来研究构成一个生命机体的那些原子的行动，而一直达到原子物理的基本实验对单个原子所进行的研究的那种程度，那么，任何一种这样的实验装置，就都会排除保持该机体的活命的可能。和生命有着不可分割的联系的那种无休止的物质交换过程，甚至意味着不能把一个生命机体看成在说明物质的一般物理性质和化学性质时所考虑的那种明确定义的物质体系。事实上，我们逐渐领会到，特有的生物学规律性代表着一些自然规律，它们和用来说明无生物体的属性的自然规律之间存在着互补关系，就如同在原子本身属性的稳定性和组成原子的粒子的那些可以用时空坐标来描述的行动之间存在着互补关系一样。在这种意义上，生命本身的存在，不论就它的定义还是就它的观测来说，都应该看成生物学的一个不能进一步加以分析的基本假设，就如同作用量子的存在和物质的终极原子性一起形成原子物理学的基本根据一样。
可以看到，这样一种观点距离机械论和活力论的极端学说是同样遥远的。一方面，它认为把生命机体和机器相互比拟是不适当的，不管这种机器是古代医术物理学家所设想的比较简单的结构还是最精密的近代放大机构；如果我们无批判地强调这种近代放大机构，我们就将得到“医术量子学者”的绰号。另一方面，这种观点认为，企图引入和已经很好地确立了的物理规律性及化学规律性不相容的某种特殊的生物学定律，那也是不合理的；这种企图在今天又有所抬头，因为人们受到胚胎学上关于细胞成长和细胞分化的新奇经验的影响。在这方面我们必须特别记住，在互补性的构架中避免任何这种逻辑矛盾的可能性，正是由这样一件事实提供出来的：生物学研究的任何结果，都不可能用不同于物理学及化学的方式来清楚地加以描述，这正如即使是说明原子物理学中的经验最后也得依靠那些在意识上记录感觉所不可缺少的概念一样。
最后这种说法又把我们带到心理学领域中；在这种领域里，科学研究中的定义问题和观察问题所带来的困难，远在这些问题在自然科学中尖锐化起来以前就已经清楚地被认识到了。事实上，在心理经验中不可能区分现象本身及现象的感知，这种不可能性很明显地要求人们放弃按照经典物理学的模型来进行简单的因果描述；而且，用“思想”、“感觉”这一类的字眼来描述这种经验的那种用法，也极有启发性地使我们想起在原子物理学中遇到的互补性。我不准备在这儿谈到更多的细节；我只要强调，正是这种在内心中明确区分主观和客观的不可能性，提供了表现意志的必要的自由。然而，像人们时常提议的那样将自由意志和原子物理学中的因果性界限更直接地联系起来，那却是和我在这儿关于生物学问题所说的那些话的基本倾向没有共同之处的。
在结束这一演讲时我愿意指出，这次集会是要纪念一位伟大的先驱，他的根本性的发现对于物理学和生物学都是十分重要的；这次集会给物理学家和生物学家提供了值得欢迎的进行有益讨论的机会；因此，作为一个物理学家而竟然远远超出了自己的特定科学领域，我希望大家原谅我的冒昧。 |