读书笔记
公式和图片都显示不了
第一章 经典物理学家对核问题的研究
对于「原子为什么这么小」这个问题而言，重点在于生物的尺寸，而非原子的尺寸。
在原子物理学中，人们专门定制了一个叫做“埃米”（简称“埃”）的单位，1埃等于0.0000000001米，原子的尺寸在1~2埃之间。
生物的活动需要精确的物理法则。
物理定律的基础是原子统计学，因此只是近似结果。
原子每时每刻都在做无规则的热运动，可以说热运动会抵消它们的有秩序的行为，所以发生在几个少数原子之间的事件不符合任何已知的定律。只有大量原子组合在一起，统计学定律才能影响以及控制原子集合的行为，并且原子数量越多，统计学定律的精确性越高。正是通过这种方式，观测到的事件本身才获得了秩序性。
与所有物理定律的不确定性有关的命题——
法则
物理学和物理化学定律不准确程度的相对误差为：
其中，n表示在一些推导或特定实验中，使一条订立在一定时间或空间条件下具有有效性的分子数量。
从这一点你也会发现，生物必须要有相对巨大的结构，这样其内部的生命活动和与外部世界的相互影响才可能符合相对准确的定律。否则，参与其中的粒子数量太少，“定律”也就不太准确了。
第二章 遗传机制
这一章基本和高中生物讲的内容差不多。
体细胞的增长模式为指数型，因此，平均只需要50~60次连续分裂，就足以产生成年人类体内的细胞总量。
一个基因包含的原子数量约为一百万或几百万个，从「根号n」法则的角度看，这一数字太小了，从统计物理学角度看，根本不可能产生有秩序、有规律的行为。但遗传性状本身就可以证明，基因在几千年的尺度上，具有相当的稳定性。这可以说是一个奇迹。
第三章 突变
达尔文将微小、连续和意外的变异视为自然选择的基础材料是错误的，这些变异在最纯的种群中也是经常发生。这些变异已经被证明不是遗传的。
针对纯种作物的选择培育是无效的，因为微小的连续变异不是遗传的，这些性状特征不是基于遗传物质的结构，而是偶然的。
突变的最明显特征就是「不连续性」，即原有特征和新特征之间没有过渡态。这会令物理学家想到量子理论，实际上，突变就是由基因分子当中的量子跃迁造成的。
量子跃迁：指电子从原子的一个轨道跳到另一个轨道的过程，这一过程是不连续的，即不存在电子处于两个轨道之间的状态。
考点:基因型 v. 表现型
后代中基因发生突变的比例叫做突变率，通过用X射线或γ射线照射亲本，微小的自然突变率就能够大大提高。通过这种方法产生的突变和自发突变并无二致。
突变的规律：
- 突变率的增加和射线剂量成正比。 人们对简单的比例关系习以为常，所以容易忽视这条简单规律背后的深远影响；这条规律显示，突变并不具有积累效应，连续的小剂量辐射并不会让突变率上升。突变一定是由辐射过程中一个染色体上发生的单一事件引起的。
- 通过更重要的研究已经证实，导致突变的单一事件就是生殖细胞中某些“关键”区域发生的电离（或类似过程）。 只要距离染色体上某个位置“10个原子距离”以内的地方发生了电离（或激发），就会发生一次突变。
现代化的生活环境中，一个人有很多机会被X射线照射。对于任何个人来说，这是不需要担忧的，但对于整个社会来说，全人类长期受到有害隐性突变的影响，这是我们应该担忧的事情。
第四章 量子力学证据
分子必须有一定的稳定性也就是说它的构型不会改变，除非从外界获得能够“提升”到更高能级的能量。因此，这种能够用数量精准表示的能极差，就定量地决定了分子的稳定程度。
分子的穩定性與溫度：考虑到热运动是完全不规律的，因此也就不存在一个准确的临界温度，使系统在这样的温度下能够确定，迅速地完成能级提升。相反，在任何除了绝对零度的温度下，都或多或少存在一定提升能级的概率。随着热浴温度的提高，这种概率也会相应地提高。
根据迈克尔·波拉尼很维格纳的实验，上述期待时间很大程度取决于“提升”能级所需要吸收的能量差W和特定温度下用来表示热运动强度的特征能量kT，T表示绝对温度；期待时间t与W/kT之间的关系符合：
（是一个能量级为或，单位为秒的常数。）
合理的逻辑是，实现“提升”的概率越小，那么期待时间也就越长，“提升”本身所需要的能量与平均热量的比就越大，也就是W:kT的值越大。令人惊讶的是，只要W:kT的值发生一点点变化，就会导致期待时间产生剧烈变化。
（對某個理論的修正）：两个分子之间的自由通路也许会遇到阻碍，这根提升能级所需要吸收的能量没有关系，事实上，从高能级跃迁到低能级的时候也会受到阻碍。
物理学家对初始形态和最终形态中间没有阈的转变过程不感兴趣，因为这样的“量子跃迁”不会让分子具有化学稳定性——这种跃迁不可能持续太久，不可能被发现。一旦发生这样的跃迁，由于没有障碍，很快就会恢复到初始状态。
第五章 对德尔布吕克模型的讨论和验证
（主要来源为德尔布吕克的关于基因和突变的理论。高中化学选修四有部分知识点和这里很像）
首先，基因是一个分子，只有这样才能合理解释人们观察到的持久性。
第二，无论是分子还是固态晶体，没有什么区别。
关于物质不同状况误解的澄清： 分子 = 固体 = 晶体 气体 = 液体 = 无定形固体
人们在“没有固定形状”的碳纤维中发现了石墨晶体的基本结构，所以木炭既是固体也是晶体。如果我们在一种物质当中找不到晶体结构，我们就得把它看作一种“黏性”（内部摩擦力）非常大的液体。这样的物质特征是没有明确的熔点，也不存在融化潜热，所以并不是真正的固体。
构成分子的原子无论多少，将其聚集在一起的作用力和无数原子构成真正的固体也就是晶体的作用力，在本质上是完全一样的。
物质结构中的真正重要的区别在于，使原子结合在一起的是不是海特勒-伦敦键。对于固体和分子来说，原子都是这种作用力结合在一起的。但是单个原子构成的气体（比如水银蒸汽），原子和原子之间的作用力就不是海特勒-伦敦键。
非周期性固体：一个分子可被成为“固体的种子”，第一种使固体规模逐渐扩大的方式，就是想三个方向不断重复同样的结构，晶体的生长就是遵循这种方式，一旦周期确定，其规模增长无上限；第二种是不按照固定模式不断重复，越来越复杂的有机分子就是采用这种方法。作者认为基因——或者整个染色体纤维就是一种非周期性固体。
自然選擇的基因的穩定性：
与X射线相比，源于土壤、空气中的放射性和宇宙辐射等“自然辐射”过于微弱，只是造成自然突变率的很小一部分原因。
假设人们必须要用热运动的随机波动来解释自然突变，人们就不会惊讶于大自然成功地选择了这样精妙的阈值，使突变的发生这么罕见。
通过突变获得了不够稳定的基因构型的个体，很难有机会看到其“极端激进地”快速突变的后代长久生存下去。这个物种就会抛弃这些个体，并通过自然选择获得稳定的基因。
溫度對不穩定基因的影響比穩定基因小：根据公式
温度升高，期待时间降低，突变发生概率相应增加。对于稳定基因来说，W/kT的数值更大，因此期待时间更长，根据另一个（我打不出来但是基于这个公式推导的公式），W/kT的数值更大将导致比例数值较小，即温度升高导致的突变性提高更明显。
范托夫因子
X射线与突变：第一，（从突变率和辐射剂量的比例关系来看）突变是单一事件导致的结果；第二，（从定量结果和突变率是由整体电离密度决定的，而与辐射的波长无关的事实来看），导致突变的单一事件应该是电离或类似的过程，它必须发生在产生特定突变位置附近10个原子距离为边长的立方体空间范围内。
用于达到阈值的能量明显必须由电离或激发这样的爆炸式过程提供，之所以称其为爆炸式过程，是因为一次电离过程需要的能量——次级电子产生所需的能量——可达30电子伏。这种热波能为10个院子距离空间的“作用范围”提供达到1~2个电子伏的阈能。
很多情况下，这种爆炸作用不会让染色体发生有序的同分异构体的转变，而是造成染色体的损伤。
X射线的效率并不取决于自发突变性：因为，如果一次爆炸可提供的能量（30电子伏），远超突变需要的阈值能量（无论是1电子伏还是1.3电子伏）
第六章 有序、无序和熵
生命有机体是一个宏观系统，这个系统的部分行为符合纯粹的力学定律（与热力学定律相对），随着温度接近绝对零度，分子的无规律运动逐渐消失时，所有系统都会趋向于这种行为。
何谓生命物体：当它能够持续“做某些事情”、不断运动、与环境进行物质交换等等的时候，而且和没有生命的物质相比，它能够在类似的条件下“持续”更长时间。当没有生命的系统被分离出来，或放在一个均匀的环境当中时，所有的运动都会因为各种各样的摩擦力量最终静止下来，化学势和电势的差会被抹平，倾向于形成化合物的物质会形成，热运动会让体系内外温度均匀一致。经过上述过程，整个系统会变成一团没有生命的多形物体。物理学家将这种状态称为热力学平衡，或者“最大熵”。
理论上，这种现实中快速达成的状态并非绝对意义上的平衡，最终要达到平衡的过程非常缓慢。
「逆熵」：正是由于生物会避免迅速衰退到惰性的“平衡状态”，所以才显得神秘莫测，以至于很早以前，人类认为存在一些特殊的非物质或超自然作用力，驱动着生命的运转，有些人如今仍然相信这种做法。
可以认为，生物在不断地产生正熵，因此也有接近危险的最大熵状态——死亡——的倾向。生物之所以能避免这种事情的发生，是因为它们能不断从环境中获得负熵。
熵是什么: 当物质缓慢、不可逆转地一小步一小步地进入其他任何状态，熵都会增加，其计算方法是：用每个过程中吸收的一小部分热量除以提供这些热量的绝对温度，再将它们加在一起。（J/K）
孤立系统或者在均一环境中的系统的熵会增加，或快或满地接近最大熵的惰性状态。这一物理基础定律刚好就是万事万物向混乱状态靠近的自然倾向。即负熵本身衡量的是有序度。
作者猜测，恒温动物的体温之所以更高，是因为能够更快得排除身体中的熵，因此他们也能进行更强烈的生命活动。体温与“生命强度”之间存在的对应关系，可以用范托夫定律直接解释：温度越高，生命活动中的各种化学反应速度越快。
第七章 生命是否基于物理定律？
{做梦吧，马克斯·普朗克写的论文我怎能看得懂！}
如果一个人从来没有否定过自己，那可能是因为他没说过什么话。—— 埃尔温 · 薛定谔
生命所具有的，能从合适环境中“汲取秩序”的天赋与“非周期性固体”——也就是染色体分子的存在有关，而染色体分子无疑是人们所知道的最有序的原子集合，其有序程度高于普通的周期性晶体，因为它的每个原子和每个原子团都发挥着各自的作用。
在某个化学反应中，人们无法预测某个特定的分子是否已经完成了反应，这是完全随机的。这并不是说人们无法观测到具体原子或原子团是否发生了反应，而是说人们每次观察到的都是毫无规律的结果，只有大量这样的结果放在一起才能形成整体的规律。
生命过程中的有序有不同的来源，一种是通过“统计机制”从无序中产生有序，一种是通过有序产生有序。这两种有序之间的区别于马克斯·普朗克「有趣」的论文《动力学和统计学定律》(Dynamische und Statistische Gesetzmassigkeit)中提到的两种定律之间的区别一样。这篇论文旨在说明，支配宏观事件的统计学定律，是如何支配由支配微观事件、单个原子和分子之间的相互作用的动力学定律组成的。
一台没有发条的时钟可能会突然开始工作（消耗周围环境的热能），当然经常发生这种事情的可能性几乎为零。但对于即为灵敏的扭力天平则常会发生这种事情。
能斯特定律：在绝对零度条件下，分子的混乱将不会再影响物理事件。（被誉为热力学第三定律，能量守恒定律、熵增定律、能斯特定律）（由瓦尔特·能斯特提出）
对于时钟而言，室温几乎等于绝对零度，它才能遵循“动力学”定律。如果将其冷却，它就能一直运行下去，如果将其加热到室温以上，它就不会继续工作了，因为它会融化掉。
钟表能以“动力学”的方式工作，是因为他们是固体做成的，而固体是靠海特勒-伦敦作用力保持一定形状的，其强度足以避免普通温度下热运动的无序倾向。
与钟表类似，生物也是由固体构成的，非周期性晶体组成的遗传物质很大程度上能够避免无序的热运动。
后记 关于决定论与自由意志
意识和我们身体的一个有限物质区域的物理状态紧密相关，而且依赖于它。相似的身体有很多，因此意识和心智的复数化也就成了一种不言而喻的假说。恐怕所有天真单纯的人，以及绝大多数西方哲学家都接受过这种假说。
它几乎直接导致人们发明了灵魂的概念 [……]
唯一可能的选择就是，相信直接经验，接受意识是单数的，而复数的意识是未知的。相信意识只是一个东西，即便看上去意识有很多个，但也只是因为幻觉（MAJA）而产生的一个东西的不同侧面而已。
通过认真的反省，你会发现所谓的“我”就只是收集数据的容器。