Биология и атомная физика

Бессмертные труды Гальвани, открывшие новую эпоху во всех областях науки, представляют блестящую иллюстрацию чрезвычайной плодотворности тесного сочетания исследований законов неживой природы с изучением свойств живых организмов. В настоящем докладе было бы поэтому уместно сделать обзор того, как на протяжении столетий ученые смотрели на вопрос о связи между физикой и биологией, и в особенности обсудить перспективы, созданные в этом отношении необычайным развитием атомной теории за последние годы.

Уже на заре науки атомная теория была в центре внимания в связи со стремлением достигнуть всеобъемлющего представления о великом разнообразии явлений природы. Так, уже Демокрит, с такой глубокой интуицией настаивавший на необходимости атомизма для всякого рационального объяснения обыкновенных свойств материи, как известно, пытался использовать атомистические идеи также и для объяснения своеобразия органической жизни и даже человеческой психологии. Фантастический характер таких крайних материалистических представлений вызвал естественную реакцию у Аристотеля, в совершенстве владевшего всеми современными ему познаниями в физике и биологии; эта реакция привела его к полному отрицанию атомистической теории и к попытке создать на основе идей, которые по существу являются телеологическими, систему достаточно широкую, чтобы учитывать все богатство явлений природы. Преувеличения в учении Аристотеля были в свою очередь ясно выявлены в результате постепенного ознакомления с элементарными законами природы, справедливыми как для неодушевленных тел, так и для живых организмов.

Если думать о том, как были установлены принципы механики, которые в дальнейшем должны были стать фундаментом физической науки, то в этой связи интересно уяснить себе, что открытие Архимедом принципа равновесия плавающих тел, согласно хорошо знакомой легенде, подсказанное ему ощущением легкости его тела, погруженного в ванну, могло точно так же возникнуть и на основании обыденного опыта, относящегося к потере в весе камня, опущенного в воду. Точно так же следует считать совершенно случайным, что Галилей пришел к открытию фундаментальных законов динамики, наблюдая, как качается люстра в прекрасном Пизанском соборе, а не глядя на ребенка на качелях. Однако для растущего понимания существенного единства принципов, управляющих явлениями природы, такие чисто внешние аналогии имели лишь малое значение по сравнению с глубоко коренящимся сходством между живыми организмами и техническими механизмами; это сходство было вскрыто при изучении анатомии и физиологии, которое так интенсивно велось в эпоху Возрождения, особенно здесь, в Италии.

Перспективы, открывшиеся благодаря успеху нового экспериментального подхода к философии естествознания, были встречены с энтузиазмом; этот энтузиазм в одинаковой мере поддерживался как расширением картины вселенной, которым мы обязаны проницательности Коперника, так и разъяснением механизма кровообращения в телах животных, начало которому положило великое достижение Гарвея. Пожалуй, ярче всего этот энтузиазм выразился в трудах Борелли, которому удалось разъяснить с такими тонкими подробностями функции скелета и мышц при движениях животных. Классический характер этих трудов нисколько не умаляется попытками самого Борелли и его последователей объяснить также и нервную деятельность и секрецию желез при помощи примитивных механических моделей; их очевидная произвольность и грубость вскоре вызвали общую критику, о которой до сих пор напоминает полуироническое прозвище «ятрофизиков», присвоенное школе Борелли. Здоровое в корне стремление приложить к физиологическим процессам все увеличивающиеся познания в области типично химических превращений, нашедшее такого восторженного представителя в лице Сильвиуса, вскоре привело к оппозиции, вызванной преувеличением поверхностного сходства между перевариванием и ферментацией, с одной стороны, и простейшими неорганическими реакциями – с другой, а также неосмотрительным приложением их к лечебным целям. Эта оппозиция выразилась в прозвании «ятрохимия», присвоенном таким преждевременным попыткам.

Для нас причины неудач этих первых исследователей, старавшихся использовать физику и химию для исчерпывающего объяснения свойств живых организмов, вполне очевидны. Тогда еще не наступило время Лавуазье, раскрывшее элементарные принципы химии, которые должны были дать ключ для понимания процесса дыхания, а позднее составить основу для развития так называемой органической химии. Но, кроме того, до открытий Гальвани оставалась скрытой еще одна фундаментальная сторона законов физики. Очень поучительно думать, что зерно, которому в руках Вольты, Эрстеда, Фарадея и Максвелла суждено было развиться в стройную систему, соперничающую по значению с механикой Ньютона, зародилось из исследований, имевших биологическую цель. Действительно, трудно себе представить, чтобы процесс, который привел от опытов с наэлектризованными телами, какими плодотворными бы они ни были в руках Франклина, к изучению гальванических токов, мог бы осуществиться, если бы чувствительные приборы, необходимые для обнаружения таких токов (которые теперь так легко создаются), не были бы предоставлены самой природой в виде нервных тканей высших животных.

Здесь невозможно набросать даже в общих чертах потрясающее развитие физики и химии со времени Гальвани или перечислить открытия во всех отраслях биологии за последнее столетие. Нам достаточно напомнить о научных направлениях, идущих от трудов первых исследователей, Мальпиги и Спалланцани, работавших в этом почтенном университете, к современной эмбриологии и, соответственно, бактериологии; или же от самого Гальвани до недавних захватывающих исследований нервных импульсов. Несмотря на достигнутое таким образом глубокое понимание физической и химической стороны многих типичных биологических реакций, изумительная тонкость строения организмов и их богатство связанными между собой регулирующими механизмами все еще заходят так далеко за пределы всякого опыта, относящегося к неживой природе, что мы чувствуем себя столь же отдаленными, как и раньше, от объяснения самой жизни на физико-химической основе. Действительно, когда мы присутствуем при жарких спорах о значении для этой проблемы недавних открытий отравляющих эффектов и генеративных свойств так называемых вирусов, перед нами встает столь же острая дилемма, как та, с которой столкнулись Демокрит и Аристотель.

При такой ситуации интерес снова сосредоточивается на атомной теории, хотя и на совершенно другом фоне. С тех пор как Дальтон с таким решительным успехом использовал атомистические представления для разъяснения количественных законов, управляющих составом химических соединений, атомная теория становится в химии надежным руководящим принципом и необходимой основой во всех рассуждениях; а замечательное совершенство техники эксперимента в физике дало нам даже средство для изучения явлений, прямо зависящих от действия индивидуальных атомов. Таким образом, это развитие устранило последние следы традиционного предрассудка, утверждавшего, будто бы из-за грубости наших органов чувств всякое доказательство действительного существования атомов навеки останется за пределами досягаемости человеческого опыта. Но, кроме того, оно обнаружило в законах природы еще более глубокие черты атомистичности, чем те, которые выражены в старом учении об ограниченной делимости материи. Действительно, мы узнали, что для того, чтобы охватить собственно атомные явления, должна быть существенно расширена самая система понятий, которая была пригодна как для описания нашего опыта повседневной жизни, так и для формулировки всей системы законов, которым подчиняется поведение материи в ее массе; на этих законах и построено то внушительное здание, которое именуется классической физикой. Для того чтобы оценить те возможности, которые эта новая точка зрения философии естествознания дает для рационального подхода к фундаментальным проблемам биологии, нам придется кратко напомнить главные направления развития, приведшего к разъяснению положения в атомной теории.

Отправным пунктом современной атомной физики было, как известно, признание атомной природы самого электричества. На нее впервые указали знаменитые исследования Фарадея о гальваническом электролизе, и затем она была окончательно подтверждена фактом изолирования электрона в прекрасных явлениях электрического разряда в разреженных газах, явлениях, привлекших к себе такое внимание в конце прошлого столетия. Блестящие исследования Томсона вскоре выяснили существенную роль электронов в самых разнообразных физических и химических явлениях. Наше знакомство со структурными единицами материи было, однако, еще неполным вплоть до открытия Резерфордом атомного ядра – открытия, увенчавшего его новаторские труды о спонтанных радиоактивных превращениях некоторых тяжелых элементов. Действительно, это открытие впервые дало бесспорное объяснение неизменямости элементов в обыкновенных химических реакциях, в которых крошечное тяжелое ядро остается без изменений, а затрагивается только распределение легких электронов вокруг него. Сверх того, это открытие дает объяснение происхождению естественной радиоактивности, в которой мы наблюдаем взрыв самого ядра; оно разъяснило также и обнаруженную Резерфордом позднее возможность вызвать превращения элементов бомбардировкой тяжелыми частицами с большой скоростью, которые, сталкиваясь с ядрами, могут вызвать их распад.

Мы отошли бы слишком далеко от предмета нашего доклада, если бы стали углубляться дальше в чудесную новую область исследований, открывшуюся благодаря изучению ядерных превращений; эта область будет одним из главных предметов дискуссии среди физиков настоящего съезда. Для наших рассуждений наиболее существенным являются, однако, не эти новые открытия, а очевидная невозможность истолковать обычные физические и химические опытные факты на основании одних только свойств атомной модели Резерфорда (которые сами по себе прочно установлены), если при этом не отступить самым радикальным образом от классических идей механики и электромагнетизма. В самом деле, хотя механика Ньютона и позволила проникнуть в гармонию движения планет, выраженную законами Кеплера, механические модели, подобные Солнечной системе, не вполне устойчивы в том смысле, что они не имеют тенденции возвращаться в первоначальное состояние, будучи выведены из него каким-либо возмущением. Свойства стабильности таких моделей явно не обладают достаточным сходством с абсолютной внутренней стабильностью электронных конфигураций атомов, благодаря которой каждый элемент обладает своими характерными свойствами. Ярче всего эта стабильность проявляется в спектральном анализе, обнаружившем, как известно, что у каждого элемента имеется свой характерный спектр, состоящий из резких линий и настолько не зависящий от внешних условий, что характер спектра дает способ определения, из наблюдений, материального состава даже самых удаленных звезд.

Но ключ к разрешению этой дилеммы уже был найден Планком, открывшим элементарный квант действия. Открытие это было результатом физических исследований совершенно иного направления. Как известно, Планк пришел к своему фундаментальному открытию путем остроумного анализа таких свойств теплового равновесия между материей и излучением, которые в силу общих принципов термодинамики должны быть совершенно не зависимыми от тех или иных свойств материи, а значит, и от тех или иных идей об атомной структуре. Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действий велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Это условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу практически бесконечно малого размера.

Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобожденной энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения. Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтвержденному прекрасными работами Франка и Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных Бальмером, Ридбергом и Ритцем, но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме; это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов – зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Менделеева. Такое толкование свойств материи казалось осуществлением древнего идеала – свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, – превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания.

О возвращении к способу описания, совместному с принципом причинности, не могло быть и речи; это однозначно исключалось разнообразными опытными фактами. С другой стороны, вскоре удалось расширить первоначальные примитивные попытки учесть в атомной теории существование кванта действия и развить их настоящую, существенно статистическую атомную механику. Атомная механика вполне сравнима по своей последовательности и полноте со структурой классической механики, рациональным обобщением которой она и является. Установлением этой новой так называемой квантовой механики мы, как известно, обязаны прежде всего изобретательности и остроумию младшего поколения физиков. Независимо от поразительной плодотворности квантовой механики во всех областях физики и химии, она существенно разъяснила и философскую основу анализа и синтеза атомных явлений. В самом деле, начатый одним из главных основателей квантовой механики, Гейзенбергом, пересмотр для этой области самой проблемы наблюдения привел к раскрытию ранее игнорируемых предпосылок для однозначного применения даже самых элементарных понятий, на которых основано описание явлений природы. Здесь решающим является признание того, что всякая попытка анализировать обычным, принятым в классической физике порядком «индивидуальность» атомных процессов, обусловленную квантом действия, непременно срывается из-за неизбежного взаимодействия между исследуемыми объектами и измерительными приборами, необходимыми для этого исследования.

Прямым следствием этой ситуации является то, что наблюдения над поведением атомных объектов в разных экспериментальных установках не могут быть, вообще говоря, скомбинированы обычным в классической физике способом. В частности, любая мыслимая процедура, целью которой была бы локализация в пространстве и времени электронов в атоме, неизбежно вызовет принципиально неконтролируемый обмен количеством движения и энергией между атомами и измерительными средствами, а этот обмен полностью разрушит те замечательные закономерности, которые связаны с устойчивыми состояниями атома и обусловлены квантом действия. И обратно, поскольку самая формулировка этих закономерностей требует применения законов сохранения энергии и количества движения, исследование их связано с принципиальным отказом от локализации отдельных электронов атома в пространстве и времени. Те стороны квантовых явлений, которые обнаруживаются при такого рода взаимно исключающих условиях, отнюдь не противоречат друг другу; их следует, таким образом, рассматривать как дополнительные в совсем новом смысле. В самом деле, точка зрения «дополнительности» ни в коем случае не означает произвольного отказа от анализа атомных явлений, а, наоборот, является выражением рационального синтеза такого богатства опытных фактов в этой области, какое не вмещается в естественных пределах применимости понятия причинности.

Исследование этих глубоких вопросов поощряется великим примером теории относительности, которая обнаружила не замеченные ранее предпосылки для однозначного применения физических понятий и тем самым открыла новые возможности для понимания и охвата явлений, кажущихся непримиримыми. Несмотря на урок, преподанный теорией относительности, мы должны осознать, что ситуация, с которой мы встречаемся в современной атомной теории, совершенно беспрецедентна в истории физической науки. Действительно, вся система понятий классической физики, доведенная до такого изумительного единства и законченности трудами Эйнштейна, основана на некоторой предпосылке, прекрасно соответствующей нашему повседневному физическому опыту и состоящей в том, что можно отделить поведение материальных объектов от вопроса о их наблюдении. В поисках параллели к вытекающему из атомной теории уроку об ограниченной применимости обычных идеализаций мы должны обратиться к совсем другим областям науки, например к психологии, или даже к особого рода философским проблемам; это те проблемы, с которыми уже столкнулись такие мыслители, как Будда и Лао Цзы, когда пытались согласовать наше положение как зрителей и как действующих лиц в великой драме существования. Признание аналогии чисто логического характера в тех проблемах, которые возникают в столь далеких друг от друга областях человеческих интересов, ни в коем случае не означает, однако, что в атомной физике допускается какой-то мистицизм, чуждый истинному духу науки; наоборот, это признание побуждает нас подумать, не может ли прямое решение тех парадоксов, которые неожиданно встретились в атомной области при применении наших простейших понятий, помочь нам разъяснить аналогичные затруднения в других областях знания.

Не было также недостатка в советах искать прямую связь между жизнью или свободной волей и теми чертами атомных явлений, для охвата которых рамки классической физики, очевидно, слишком узки. Действительно, в реакциях живых организмов можно указать много характерных черт (например, чувствительность зрительных восприятий или индуцирование мутаций генов при помощи проникающей радиации), которые, несомненно, связаны с усилением эффектов индивидуальных атомных процессов, подобным тому усилению, на котором, по существу, основана техника эксперимента в атомной физике. Признание того, что тонкость организации и регулирующих механизмов живых существ выходит так далеко за пределы всех прежних ожиданий, само по себе отнюдь не дает нам, однако, возможности объяснить своеобразные особенности жизни. Правда, целостность и целеустремленность биологических явлений и их так называемые телеологические аспекты, конечно, нельзя объяснить свойством индивидуальности атомных процессов, обнаруженных благодаря открытию кванта действия; скорее, наоборот, статистический характер квантовой механики, казалось бы, даже увеличивает трудности понимания собственно биологических закономерностей. Однако в этой дилемме общий урок атомной теории подсказывает нам, что единственный способ примирить законы физики с понятиями, пригодными для описания явлений жизни, – это разобраться в существенных различиях между условиями наблюдения явлений, изучаемых в физике и в биологии.

Прежде всего мы должны ясно себе представить, что всякая постановка опыта, которая позволила бы нам изучать поведение атомов, составляющих живой организм, столь же подробно, как мы это можем сделать для единичных атомов в фундаментальных опытах атомной физики, исключает возможность сохранить организм живым. Неотделимый от жизни непрерывный обмен материей делает даже невозможным подход к организму как к точно определенной системе материальных частиц, подобной тем системам, которые рассматриваются во всяком описании обыкновенных физических или химических свойств материи. Действительно, мы вынуждены принять, что собственно биологические закономерности представляют законы природы, дополнительные к тем, которые пригодны для объяснения свойств неодушевленных тел. Здесь имеется аналогия с соотношением дополнительности между свойствами стабильности самих атомов и таким поведением составляющих их частиц, которое допускает описание на основе понятия локализации в пространстве и времени. В этом смысле существование самой жизни следует рассматривать как в отношении ее определения, так и наблюдения как основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу, подобно тому как существование кванта действия вместе с конечной делимостью материи образует элементарную основу атомной физики.

Отсюда видно, что такая точка зрения одинаково далека от крайних учений механицизма и витализма. С одной стороны, она осуждает как не относящиеся к делу всякие сравнения живых организмов с машинами, будь то сравнительно простые конструкции, которые рассматривались старыми ятрофизиками, или тончайшие современные усилительные приспособления, некритическое выдвижение которых подвергло бы нас опасности заслужить кличку «ятроквантистов». С другой стороны, она отбрасывает как неразумные все попытки ввести какие-то специально биологические законы, несовместные с твердо установленными физическими и химическими закономерностями; такие попытки возобновились в наши дни под впечатлением чудесных откровений эмбриологии о росте и делении клеток. В этой связи особенно следует помнить, что возможность избегнуть в рамках дополнительности подобных противоречий дается самим тем фактом, что ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, как на основе понятий физики и химии, совершенно так же, как всякое описание опыта даже в атомной физике должно в конечном счете опираться на понятия, необходимые для сознательной регистрации чувственных восприятий.

Последнее замечание приводит нас обратно в царство психологии, где трудности, связанные с проблемами определения и наблюдения в научных исследованиях, были ясно осознаны задолго до того, как эти проблемы стали злободневными в других естественных науках. Действительно, невозможность в психическом опыте различить между самыми явлениями и их сознательным восприятием очевидно требует отказа от простого причинного описания по образцу классической физики; и то, как употребляются в психическом анализе слова «мысли» и «ощущения», настоятельно напоминает о дополнительности, встречающейся в атомной физике. Я не буду здесь входить в дальнейшие подробности, но лишь подчеркну, что невозможность при самонаблюдении резко отличить субъект от объекта как раз и дает необходимую свободу для проявления решимости (volition). Связывать же свободу воли непосредственно с ограничением причинности в атомной физике, как это часто предлагают, совершенно чуждо нашим взглядам, лежащим в основе сделанных здесь замечаний о биологических проблемах.

Заключая этот доклад, я надеюсь, что безрассудство физика, отважившегося выйти так далеко за пределы своей ограниченной области науки, ему простится ввиду такого приятного и удобного случая для полезных дискуссий, какой был предоставлен физикам и биологам настоящим собранием, посвященным памяти великого основоположника, чьи фундаментальные открытия так много внесли в обе эти отрасли науки.

1937