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第六章第六章 物理学与现代自然科学物理学与现代自然科学 各门自然科学学科是从不同角度，针各门自然科学学科是从不同角度，针对不同的自然现象，概括着正确相识的学对不同的自然现象，概括着正确相识的学问体系。当代人们最关切的重大自然科学问体系。当代人们最关切的重大自然科学课题有宇宙的起源、演化、结构层次，各课题有宇宙的起源、演化、结构层次，各种元素的起源和它们构成各种物质材料的种元素的起源和它们构成各种物质材料的规律、生命的本质等等。规律、生命的本质等等。科学揭示自然规律，为独创新技术指科学揭示自然规律，为独创新技术指明方向。明方向。技技术术是是人人们们在在实实践践的的基基础础上上创创建建出出来来的的，能能指指导导人人们们制制作作工工具具、组组合合工工具具、依依据据给给定定的的行行为为规规范范运运用用工具，从而实现各种实际需求的学问体系。工具，从而实现各种实际需求的学问体系。现现代代新新技技术术中中，最最具具基基础础性性的的有有新新能能源源技技术术、新新材材料料、激激光光、生生物物技技术术等等。科科学学技技术术是是推推动动生生产产力力发发展展、创创建建更更多多更更好好的的产产品品、提提高高人人类类物物质质文文化化生生活活的的第一要素。第一要素。物理学探讨的对象是自然界的普遍现象，因此物理学得到的相识是其它学科的基础。本章将介绍物理学在与之最贴近的科技领域中起的作用，介绍二十世纪的最新成果都建立在相对论和量子力学之上。6-1 物理学与化学物理学与化学一.化学探讨的基本课题 从从物物理理的的角角度度,化化学学的的探探讨讨课课题题是是:各各原原子子的的化化学学性性质质;原原子子结结合合为为分分子子的的规规律律;各各种种分分子子的的性性能能和和生生成成方法。方法。二二.物理学在化学发展中的的作用物理学在化学发展中的的作用 1.物物理理学学在在相相识识原原子子、分分子子和和化化学学基基本本规规律律方方面面的作用的作用 化化学学家家用用试试验验证证明明原原子子是是组组成成物物质质的的基基本本单单元元。分割单质得到保持该物质性质的最小单元原子。分割单质得到保持该物质性质的最小单元原子。对物质的构成，物理学至少在更深层次点明以下对物质的构成，物理学至少在更深层次点明以下几个问题：几个问题：（1）原子还有更深层次的结构。）原子还有更深层次的结构。（2）组成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初阶段。）组成原子的粒子起源于宇宙爆炸的最初阶段。（3）量量子子力力学学从从理理论论上上说说明明稳稳定定的的原原子子只只有有九九十十几种，而在此之前只能用化学试验的方法发觉新原子。几种，而在此之前只能用化学试验的方法发觉新原子。（4）原原子子的的核核外外电电子子的的分分布布确确定定了了原原子子的的化化学学性性质质，元元素素在在周周期期表表上上的的序序号号与与原原子子的的核核外外电电子子数数同同。最最外外围围电电子子分分布布相相同同的的原原子子有有相相像像的的化化学学性性质质，构构成成一一族族元元素素。而而当当时时，门门捷捷列列耶耶夫夫是是从从试试验验事事实实中中总总结结出元素周期表。出元素周期表。（5）原子间的结合力）原子间的结合力化学键化学键 原原子子与与原原子子的的 结结合合称称为为化化合合，结结合合的的裂裂开开称称为为分分解解。化化合合和和分分解解是是最最基基本本的的化化学学现现象象，假假如如把把结结合合的的本本质质搞搞清清晰晰了了，各各种种化化学学现现象象的的本本质质也也就就清清晰晰了了。那那为为什什么么原原子子可可相相互互结结合合？靠靠原原子子外外围围电电子子的的结结合合力力。结合力的形式称为化学键。结合力的形式称为化学键。破破译译电电子子的的运运动动隐隐私私的的是是由由薛薛定定谔谔、海海森森堡堡等等人人建建立立的的量量子子力力学学完完成成的的。试试着着用用量量子子力力学学解解决决化化学学问问题，一门新学科量子化学应运而生。题，一门新学科量子化学应运而生。2.物理学在相识外部条件对化学反应的影响所起物理学在相识外部条件对化学反应的影响所起的作用的作用从物理学角度看,影响化学反应的外部条件可分为两类主要用经典物理理论就可其作用机理的条件（如光、热、电流等），在运用经典物理学问处理这类问题的基础上，发展出了化学热力学、电化学、化学动力学、光化学、胶体化学等化学分支学科。通常把应用热力学方法探讨化学反应和化学平衡的物理化学。必必需需应应用用量量子子理理论论才才能能相相识识其其作作用用机机理理的的外外部部条条件件，如如催催化化剂剂在在亚亚原原子子层层次次的的作作用用（所所谓谓亚亚原原子子层层次次是是指指从从构构成成物物质质的的最最基基本本单单元元着着眼眼的的层层次次），酶酶的的作用等作用等,发展出固体表面催化、功能材料等学科。发展出固体表面催化、功能材料等学科。三三.量子化学量子化学 量子化学用量子力学探讨分子中化学键问题。量子化学用量子力学探讨分子中化学键问题。最早用薛定谔方程计算氢分子。最早用薛定谔方程计算氢分子。按按量量子子力力学学，氢氢原原子子外外围围的的电电子子出出现现在在“电电子子云云”区区域域的的概概率率最最大大，“电电子子云云”的的形形态态用用薛薛定定谔谔方方程程的的解解波波函函数数描描述述。两两个个氢氢原原子子中中的的电电子子云云的的分分布布集集中中在在原原子子核核间间形形成成化化学学键键，把把两两个个氢氢原原子子核核“拉拉”到到一一起而稳定下来。起而稳定下来。从理论上计算出，破坏氢分子化学键的能量是从理论上计算出，破坏氢分子化学键的能量是108.8千卡千卡/mol,氢分子中两原子核间的距离是氢分子中两原子核间的距离是0.074 10-9nm,与试验值吻合。与试验值吻合。由于薛定谔方程是一个困难的微分方程，随着分子中原子数目的增加定量计算遇到困难。为此接受多种近似方法。目前快速发展的是化学键理论中的分子轨道理论。它是从分子整体动身，用单电子的波函数描述化学键本质。计算机的飞速发展，为量子化学的计算供应了有力工具。化学也从阅历性学科向系统的理论的学科发展。量子力学的发展使人们的预见性也加强了，进入到“分子设计”阶段。期盼通过理论计算，像设计房屋那样，按需求设计新材料、新药物。理论表明：物物性性电学性能：半导性、超导电性等电学性能：半导性、超导电性等热学性能：热传导等热学性能：热传导等 磁学性能：磁性转变温度等磁学性能：磁性转变温度等 光学性能：吸取光谱等光学性能：吸取光谱等药物的疗效药物的疗效与原子的外与原子的外层电子运动层电子运动有关有关 于是有了高温超导材料的设计，性能优异的半导体、于是有了高温超导材料的设计，性能优异的半导体、激光物质，设计新药物、新农药。激光物质，设计新药物、新农药。1965年年，量量子子化化学学出出现现了了分分子子轨轨道道对对称称守守恒恒原原理理，使使量量子子化化学学进进入入探探讨讨化化学学反反应应的的新新阶阶段段。该该理理论论在在说说明明和和预预示示一一系系列列化化学学反反应应方方向向上上是是有有力力工工具具。70 年年头头量子化学又用于探讨催化剂、生物酶问题。量子化学又用于探讨催化剂、生物酶问题。6-2 物理学与生命科学物理学与生命科学 生生物物学学是是探探讨讨生生命命现现象象的的科科学学。多多少少年年来来,生生物物学学始始终终是是描描述述性性学学科科,以以视视察察和和相相识识生生物物世世界界的的多多样样性为主要内容性为主要内容,以描述和分类为主要工作。以描述和分类为主要工作。生物的结构、运动方式、生命的物质基础、生物生物的结构、运动方式、生命的物质基础、生物进化的机理、进化的机理、遗传和生命的本质。遗传和生命的本质。本章运用物理学问去理解：本章运用物理学问去理解：1.生物体生物体 从从生生物物学学角角度度看看,生生物物体体是是由由核核酸酸和和蛋蛋白白质质等等组组成成的的,能能通通过过自自组组织织，实实现现自自我我复复制制、自自我我更更新新的的多多分分子子体体系系，可可以以参参与与物物理理、化化学学、生生命命三三个个层层次次的的运运动。动。生生命命活活动动主主要要通通过过蛋蛋白白质质体体现现。的的基基本本单单元元是是氨氨基基酸酸。蛋蛋白白质质由由20多多种种氨氨基基酸酸排排列列而而成成。体体内内的的化化学学反应离不开具有催化作用的蛋白质反应离不开具有催化作用的蛋白质-酶。酶。一一.生物体生物体核酸的基本结构单位是核苷酸，由碱基、糖、磷核酸的基本结构单位是核苷酸，由碱基、糖、磷酸三部分组成。酸三部分组成。核酸核酸核糖核酸（核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）遗传特征是由遗传特征是由DNA中特定的核苷酸排列依次确定。个体发育中特定的核苷酸排列依次确定。个体发育时，时，DNA的密码指令将氨基酸连接起来合成蛋白质，进而形成不的密码指令将氨基酸连接起来合成蛋白质，进而形成不同的器官，。另一方面，同的器官，。另一方面，DNA能自我复制，由亲代复制一份能自我复制，由亲代复制一份DNA传给子代。遗传基因是限制生物性状的功能单位和结构单位，是传给子代。遗传基因是限制生物性状的功能单位和结构单位，是DNA分子中具有遗传效应的某个脱氧核苷酸片段，含有成百上千分子中具有遗传效应的某个脱氧核苷酸片段，含有成百上千个脱氧核苷酸。人类个脱氧核苷酸。人类46条染色体的条染色体的DNA，包含人类基因组中的约，包含人类基因组中的约10万个基因。万个基因。基因中碱基的不同排列构成不同的基因。现正设法测定人基因中碱基的不同排列构成不同的基因。现正设法测定人体体10万个基因的碱基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因万个基因的碱基排序。一旦完成，就可建立起完整的基因库，从而大推动基因工程即重组库，从而大推动基因工程即重组DNA技术。该技术是按人类意技术。该技术是按人类意愿，从生物体内分别出目的愿，从生物体内分别出目的DNA片段实施重组，再将重组后的片段实施重组，再将重组后的DNA转移到操作生命体中。转移到操作生命体中。2.生物体的探讨层次生物体的探讨层次 在探讨生物体的结构和运动变更时，可以分解为在探讨生物体的结构和运动变更时，可以分解为以下三个层次问题以下三个层次问题:可不涉及自组织作用，也不涉及化学变更的问题，这是纯粹的物理问题。可不涉及自组织作用，但涉及到化学变更的问题，处理这类问题还须要用到化学学问。必需考虑在自组织作用下实现自我复制，自我更新的问题。这类问题还受到生物体中自组织作用特殊规律的制约。例如对骨骼的探讨。例如对骨骼的探讨。骨是物质，满足质量守恒、能量守恒定律。骨骼的机械性能，骨架的形态、结构起的支撑作用及其对生物体大小、形态、运动方式的影响，这类问题只需利用力学规律即可解决。骨骼机械性能与其内部状况的关系。这时既要考虑骨骼中基本颗粒排列状况这一物理问题，更要考虑骨骼的化学组成。这个层次的探讨，使我们进一步相识到，骨骼随物种、年龄、经验、养分状况而变。骨的主要成分是无机盐（钙、磷等）和骨胶原纤维，骨骼要能支承人体从事各项活动，必须要有确定的抗拉和抗压强度，这就要求无机盐与骨胶原之间有确定的比例，这一比例随物种而变。对人而言，通常的比例是7：3。骨骨骼骼生生长长和和自自我我修修复复的的机机理理。这这就就不不是是单单靠靠普普适适的的物物理理规规律律或或化化学学规规律律就就能能解解决决的的问问题题，还还必必需需知知道道骨骨骼骼自自组组织织的的机机理理和和限限制制骨骨骼骼自自组组织织的的机机理理才才能能解解决。决。二、生物体中的宏观物理现象二、生物体中的宏观物理现象 为为了了维维持持生生命命，生生物物体体必必需需通通过过物物理理的的、化化学学的的过过程程来来实实现现并并维维持持与与外外界界的的物物质质交交换换，从从而而在在生生物物体体中中出出现现各各种种宏宏观观物物理理过过程程。这这些些过过程程反反映映着着生生物物整整体体状况。状况。1.生物的流变性生物的流变性(体液的运动体液的运动)生生物物体体内内流流体体运运动动是是生生命命的的基基本本特特征征。例例如如：植植物物是是的的光光合合作作用用维维系系了了植植物物的的生生存存，动动物物的的体体液液，如如血血液维持动物的生命，汗液维持体温。液维持动物的生命，汗液维持体温。水、无机盐水、无机盐二氧化碳二氧化碳光合光合作用作用光能转光能转化为化化为化学能，学能，维系植维系植物的生物的生存存目前对生物流变性的探讨主要集中在心血管和肠道系统的动力学过程。血液由血浆和血细胞组成。血液的粘滞性影响血液在血管中的流淌，一旦受阻便形成血栓。频率高于人类听觉上限（约频率高于人类听觉上限（约20000Hz）的声波称为超声波。）的声波称为超声波。利用超声波多普勒效应可以测定血液流淌速度，流向，流淌性等。利用超声波多普勒效应可以测定血液流淌速度，流向，流淌性等。可探讨心脏壁运动速度。可探讨心脏壁运动速度。2.生物电现象生物电现象（1）生物电）生物电 生生物物电电主主要要是是指指生生物物体体中中所所产产生生的的电电现现象象，也也包包括外界电因素对生命活动的作用。括外界电因素对生命活动的作用。全全部部的的生生物物都都有有生生物物电电现现象象，从从单单个个细细胞胞直直到到人人和和其其它它高高等等动动物物的的神神经经、肌肌肉肉、骨骨骼骼以以及及重重要要器器官官都都发发觉觉有有电电流流、电电压压的的产产生生和和传传播播。生生物物组组织织的的很很多多功功能能（例例如如神神经经中中信信息息的的传传递递和和肌肌肉肉的的收收缩缩）主主要要基基于于电电的的活活动动。一一般般动动物物组组织织中中的的电电活活动动比比较较弱弱，能能被被测测出出的的电电压压只只有有数数十十微微伏伏至至数数十十毫毫伏伏，但但某某些些鱼鱼类类如如电电鳗能产生的电压达鳗能产生的电压达600-1000伏。伏。目目前前公公认认的的一一种种基基本本观观点点是是：生生物物电电来来源源于于细细胞胞的功能，细胞是由细胞膜，细胞核和细胞质组成的功能，细胞是由细胞膜，细胞核和细胞质组成。膜膜细胞膜细胞核细胞质上上有有孔孔道道，允允许许细细胞胞与与四四周周环环境境变变换换某某些些物物质质。若若取取膜膜外外电电位为零，则膜内侧电压约为位为零，则膜内侧电压约为K+A-Cl-Na+带负电带正电-90-70mv，称称为为净净息息电电位位。外外界界强强刺刺激激达达确确定定阈阈值值，细细胞胞内内的的电电位位可可以以从从负负电电位位突突然然 一一 般般 为为 正正 电电 位位（约约 为为2030mv）。大约在不到）。大约在不到电位，变更的电位称为动作电位。电位，变更的电位称为动作电位。1ms的时间内又复原为净息的时间内又复原为净息 动作电位的产生是细胞兴奋的标记。动作电位的产生是细胞兴奋的标记。(2)心电图和脑电图心电图和脑电图 心心脏脏是是体体循循环环和和肺肺循循环环的的中中心心，也也是是血血流流的的动动力力装置，心肌组织能自动地发生兴奋和传导兴奋。装置，心肌组织能自动地发生兴奋和传导兴奋。在在心心脏脏活活动动时时，所所产产生生的的生生物物电电将将随随时时间间和和空空间间出出现现变变更更。人人是是导导体体，生生物物电电的的变变更更传传到到体体表表，用用置置于于体体表表的的电电极极探探测测各各点点的的电电势势差差随随时时间间的的变变更更，在在纸纸带带上上记记录录下下来来，就就得得到到心心电电图图。通通过过对对心心电电图图的的分分析析比比较较，可可以以诊诊断断心心肌肌肥肥厚厚，心心律律不不齐齐，心心肌肌供供血血不不足足，心心肌肌坏坏死死等等疾疾病病。大大脑脑外外层层皮皮质质也也有有类类似似的的电电势势变变更更，记录下来为脑电图。记录下来为脑电图。3.生物磁现象生物磁现象 磁磁性性是是物物质质的的一一种种普普遍遍属属性性，在在人人体体内内也也有有磁磁场场。主主要要来来源源是是：组组成成生生物物体体的的材材料料有有弱弱磁磁性性，它它们们在在地地磁磁场场或或外外界界磁磁场场的的作作用用下下会会被被磁磁化化而而产产生生磁磁场场，肝肝、脾脾等等呈呈现现的的磁磁性性属属于于此此种种。另另外外由由于于环环境境污污染染使使铁铁磁磁物物质质（Fe3O4）侵侵入入生生物物体体内内。也也有有的的动动物物如如鸽鸽子子、蜜蜜蜂蜂体体内内有有微微量量的的强强磁磁物物质质，助助其其辨辨别别方方向向。人人体体的的生生物物电电产产生生磁磁场场（电电生生磁磁），心心脏脏的的生生物物电电产产生生心心磁场，脑电流产生脑磁场等。磁场，脑电流产生脑磁场等。磁磁场场对对生生物物体体具具有有很很大大的的影影响响，它它可可以以影影响响生生物物体体内内电电子子的的运运动动,磁磁场场的的诱诱导导作作用用也也可可能能会会引引起起生生物物体遗传变异体遗传变异.三物理学对开拓生物学探讨新领域作出的贡献三物理学对开拓生物学探讨新领域作出的贡献 1.利利用用新新的的物物理理分分析析方方法法和和相相应应的的设设备备，观观测测、分析生物的微观结构。分析生物的微观结构。英英国国物物理理学学家家胡胡克克（1635-1703）利利用用自自制制的的显显微微镜镜视视察察生生物物体体，首首创创了了“细细胞胞”一一词词，使使人人们们对对生生物的相识深化到细胞层次。物的相识深化到细胞层次。二二十十世世纪纪理理论论与与量量子子力力学学结结合合，试试验验上上发发展展了了衍衍射射和和光光谱谱等等探探讨讨原原子子、分分子子、和和晶晶体体结结构构的的新新方方法法，使使生生物物学学探探讨讨进进入入到到分分子子层层次次。最最成成功功的的是是英英国国物物理理学学家家克克里里克克和和美美国国物物理理学学沃沃森森发发觉觉了了DNA的的双双螺螺旋旋结结构构，破破译译了了遗遗传传密密码码。为为此此获获1962年年诺诺贝贝尔尔生生理理学学或或医学奖。医学奖。2.生物学与物理学结合。生物学与物理学结合。3.物理学的新理论为生物学理论供应了基础物理学的新理论为生物学理论供应了基础 量子力学理论用于生物学，诞生了量子生物学(分子生物学)。它的基点是宏观生命现象依靠于生物体内亚原子层次的运动。用物理的概念、理论、工具分析方法探讨生命现用物理的概念、理论、工具分析方法探讨生命现象，产生生物物理学。它已在视觉、听觉信号的感知象，产生生物物理学。它已在视觉、听觉信号的感知和传递、神经传导、生物膜的作用机理，生物体中的和传递、神经传导、生物膜的作用机理，生物体中的水运行，蛋白质结构和作用机理，水运行，蛋白质结构和作用机理，DNA、酶的排列组、酶的排列组装，作用机理上不断取得进展。装，作用机理上不断取得进展。量子力学认为量子力学认为:（1）生物体分子间的相互作用力生物体分子间的相互作用力 强强相相互互作作用用和和弱弱相相互互作作用用的的力力程程很很小小,不不会会在在生生物物体体分分子子间间出出现现。在在分分子子系系统统中中,万万有有引引力力比比起起电电磁磁相相互互作作用用小小得得多多,因因此此分分子子系系统统中中的的作作用用力力是是电电磁磁相相互互作作用。用。（2）电荷与能量的迁移）电荷与能量的迁移 电电荷荷的的迁迁移移在在生生命命活活动动中中有有重重要要作作用用。如如叶叶绿绿素素、染染色色体体中中电电子子的的输输运运，神神经经脉脉冲冲的的传传播播都都与与电电荷荷迁迁移移有有关关。其其中中很很多多电电荷荷迁迁移移现现象象在在极极低低温温下下也也能能进进行行，对此只能用量子力学中的隧道效应说明。对此只能用量子力学中的隧道效应说明。（3）生物凝合态）生物凝合态 生生物物大大分分子子的的活活性性总总是是在在确确定定的的环环境境中中体体现现出出来来,大大分分子子与与 四四周周的的环环境境物物质质又又构构成成一一个个聚聚合合实实体体,从从而而形形成成一一种种生生物物凝凝合合态态,如如蛋蛋白白质质、核核酸酸、脂脂质质、多多糖糖、水以及由它们组成的细胞膜、染色体等。水以及由它们组成的细胞膜、染色体等。四四.从物理角度相识生命从物理角度相识生命1.一一切切有有生生命命物物体体的的共共性性在在于于不不断断与与外外界界交交换换物物质和能量质和能量。一旦停止一旦停止交换也就意味着死亡。交换也就意味着死亡。2.薛定谔薛定谔 的观点的观点 薛薛定定谔谔“在在科科学学确确定定是是统统一一的的、相相通通的的”理理念念支支持持下下，晚晚年年致致力力于于生生命命科科学学的的探探讨讨。1943年年2月月他他在在爱爱尔尔兰兰首首都都都都伯伯灵灵三三一一学学院院连连续续作作了了多多场场报报告告，论论述述”生生命命是是什什么么？”1944年年他他出出版版了了生生命命是是什什么么活活细胞的物理观一书，书中提出：细胞的物理观一书，书中提出：（1）生命以负熵为生）生命以负熵为生;（2）遗遗传传的的物物质质基基础础是是有有机机分分子子,遗遗传传以以密密码码的的形形式式通通过过染染色色体体传传递递。薛薛定定谔谔引引入入遗遗传传密密码码的的概概念念,作作为为说说明明遗遗传传信信息息的的物物理理基基础础。这这点点为为DNA双双螺螺旋旋结构的发觉所证明。结构的发觉所证明。(3)生命体系中存在量子跃迁现象。生命体系中存在量子跃迁现象。X射线照射可引射线照射可引起遗传突破就是证据起遗传突破就是证据,因此生命以量子规律为基础。因此生命以量子规律为基础。3.适用于生物体的宏观理论是非线性理论。适用于生物体的宏观理论是非线性理论。生生物物体体是是处处在在非非平平衡衡态态。由由于于非非线线性性微微分分方方程程的的解解对对初初值值极极为为敏敏感感，即即只只要要初初始始条条件件有有微微小小的的变变更更，就就会会导导致致差差别别极极大大的的结结果果，这这是是混混沌沌现现象象。于于是是依依据据非非线线性性理理论论，一一些些基基因因内内在在的的微微乎乎其其微微的的细细小小差差别别将将导导致致差差别别很很大大的的生生物物。生生物物的的进进化化正正是是在在这这种种自自身身变变异基础上加上自然选择的结果。异基础上加上自然选择的结果。综上所述，生物体的共性在于：它们都是开放的、综上所述，生物体的共性在于：它们都是开放的、远离平衡的、高度困难的、通过自组织实现宏观有序远离平衡的、高度困难的、通过自组织实现宏观有序的热力学系统，称之为耗散系统。这个系统不自行解的热力学系统，称之为耗散系统。这个系统不自行解体的条件是，在与外界交换物质的过程中吸取了负熵。体的条件是，在与外界交换物质的过程中吸取了负熵。比较适合于表达这种系统运动规律的理论是非线性理比较适合于表达这种系统运动规律的理论是非线性理论。论。