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「薛丁格的貓」悖論,是遺產還是危機?——《一生必修的科學思辨課》

天下文化_96
・2021/08/22 ・1993字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者/江才健
埃爾文·薛定諤(Erwin Schrödinger,1887 – 1961)。 圖/Wikipedia

一九四三年二月裡的冬天,物理學家薛丁格在愛爾蘭都柏林市做了一系列演講,演講的主題是由物理科學概念出發,希望給當時生命科學中的遺傳問題帶來新解。

薛丁格的科學成就早在十多年前已經得到肯定,當時已是地位崇隆的諾貝爾獎得主。由於生命科學研究曙光乍現,加上他自己對於哲學甚至東方宗教出名的好奇與思索,因此,一年後以他演講內容集結成的一本小書《生命是什麼》(What is Life?),成為二十世紀讓許多人議論的名著。有人說,這本書對現在蔚為主流的分子生物學,可謂啟蒙之作。

二〇一八年九月初,為回應薛丁格七十五年前的演講,在薛丁格當年演講的愛爾蘭三一學院舉行一個討論會,主題是「生物學的未來」,討論會踵續薛丁格演講的調子,當然要瞻望未來。

薛丁格當年演講,主調是以分子基礎來討論染色體遺傳,他提出猜想,認為遺傳物質是「不規律晶體」,由原子的一種無序但特殊有序結構形成。對於遺傳物質在生物體中的運作,薛丁格借用了物理的熱力學概念,熱力學第二定律是說整個體系的熱熵會持續增加,生物遺傳物質運作則選擇反其道而行。簡單說,薛丁格就是希望用物理學思維,來替生物學解惑。

一九四三年薛丁格五十六歲,他最輝煌的物理工作是一九二六年提出的波動方程,那奠定了量子力學或然律表徵的問題,也奠定他在物理科學上的不朽地位。有一個說法指薛丁格做出波動方程後表示,有了波動方程,化學家的工作變得沒有意義了。

二維波動方程式的一個解。圖/Wikipedia

薛丁格會做《生命是什麼》演講,當然也有物理科學燦然大備、顧盼自雄的味道,但是一些人看他的演講內容,覺得既沒有特別的原創性,也不是領先群倫之作,原因是薛丁格所說的遺傳分子的不規律性,遺傳學家穆勒(Hermann Muller)早在一九二二年已經提出。後來得到諾貝爾獎的穆勒在六〇年代曾寫信給記者,指薛丁格的說法只是錯誤揣測,因為一九四四年埃弗里(Oswald Avery)完成細菌轉化實驗後,DNA 才確定為遺傳分子,之前認為最有可能的遺傳分子角色是蛋白質。

但是薛丁格的影響確是毋庸置疑。十年後做出重要工作而開啟分子生物學的代表人物,由物理學家克里克(Francis Crick)、威爾金斯(Maurice Wilkins)和班澤(Seymour Benzer)到動物學家華生(James Watson),都聲稱他們受到薛丁格思想的啟發,原因除了薛丁格有思想創新的名聲,也來自一個絕佳時機;因為生物學已經由主要是描述性的有機體科學,轉變成為機械性的微觀科學。因此,由物理或化學觀點來探究生命現象,自然而然是順理成章。

一九五三年克里克與華生大膽猜測出 DNA 的核酸氫鍵結構,不但標誌著二十世紀生物科學的一個歷史躍進,也開啟了往後迄今的分子生物學新紀元,過去整體組織視野的生物科學,化約為微觀結構的分子與基因生物學,這個傳承的未來何去何從,事實上還在未定之天。

薛丁格雖說在物理科學的量子力學貢獻卓著,以新的數學方法解決了微觀粒子行為不能確定的或然率問題,但是他心知肚明,這些美妙玄奧的數學理論,到底如何能在真實客觀現象中展現,也還未可知。因此他曾經提出一般稱之為「薛丁格的貓」的悖論,這是一個想像的實驗,一隻貓與一個放射物質源共處於密閉空間,實驗設計如果放射物質源發生輻射反應,會觸動放射探測器,然後引發機關釋出致命氰化物殺死貓。

以巨觀世界來看,貓只可能是活的或是死的,但是在這個密閉空間的實驗中,貓的生死卻取決於一個或然率判定的微觀放射現象,因為根據量子力學的理論,微觀現象在觀察前,只是一個或然率,只在觀察時才確定,因此貓的生死也只能在觀察的當下決定。

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薛丁格的貓悖論說明的,就是數學解釋合理的微觀現象,在巨觀世界是有矛盾的,因為巨觀的真實世界裡沒有既生又死的貓。

這麼多年以來,一些物理實驗學家在實驗室裡的努力,確實創造出在特定控制條件下,一個微觀粒子「既生又死」的「雙重狀態」,這樣的實驗就以「薛丁格的貓」為名。

但是這種物質的微觀現象只能在控制條件中存在,還無法同樣產生於一般的外在世界,更惶論用以來描摹更為多樣和難以預測的生命現象。

——本文摘自《一生必修的科學思辨課》,2021 年 9 月,天下文化


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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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