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作者:曼斯·雷德

本文发表于豆瓣“科学松鼠会读者花园小组”。

作者关于自己的星星细语:私人教育机构讲师,计算机专业硕士。曾用笔名“小麦”发表几篇科幻小说。

在以前本小组的讨论中,我曾提到“比如你如果不理解所有生物共有的膜渗透能量供应化学原理,你就根本无从评价任何生命起源的理论。”

在一篇题为“为什么还有这么多人相信进化论?(http://www.douban.com/group/topic/27216605/)”的帖子中,蒙hongdou网友发信询问,所以这篇文章既是一篇泛泛的科普,也是对这个问题的具体介绍。

一.直觉与反直觉

直觉(intuitive)和反直觉(counterintuitive)是科学讨论在描述一个科学理论或者发现的时候,经常使用的二分法。这个叫法本身并不那么科学和严谨,但是其中的意味却是无限深长的。

既然不严谨,我也不去定义它,只看范例:

最简单清楚的直觉理论,在古希腊科学有很多范例。比如“刚性物体排开的水量等于它的体积”。比如欧几里得平面几何中的公设和简单定理。“凡直角都相等”,“两点之间直线最短”,初学几何的人,都会想这不是废话吗。等到用这些废话为基础武器,逐步分解,证明了其他复杂得可怕的理论,我们才知道废话的精辟之处。这就是直觉理论最原始的特征:不言而喻。然而,即使在这种萌芽时代的智慧中,也埋下了“反直觉”理论的种子,那就是仅仅“篡改”了一条欧几里得公设,就闯出一片新天地的罗氏几何。

【图片出处:medicobsantiago.obolog.com】

牛顿第三定律是另一个直觉理论的例子:作用力必然导致反作用力。这看起来也是不言而喻的废话。但牛顿第一定律就不是了:“物体将保持它的运动状态,直到外力改变它”。这是一个相对原始的反直觉理论。在今天,初中物理课修完的同学也许会不同意这是反直觉的。但是在牛顿的年代,这却是彻头彻尾的反直觉。无数牛顿之前的大学者,都理所当然地认为物体要保持运动,必须不断注入外力。这才是费劲力气保持各种物体运动的古代人类的“直觉”。另一个直觉对阵反直觉的著名例子是伽利略对阵亚里斯多德(我不叫它“比萨斜塔实验”,是因为这个传说本身是有误的。但是双方的论点是明确无误的)。“更重的物体下落更快”,这样既简单又错误的直觉,连亚里斯多德这样的智者都不能免俗。可以保证,即使在21世纪的今天,一个纯文盲多半仍然会有这样的直觉。

直觉与反直觉是相对的,也是可以培养的。经过一定科学训练的人(比如说读完初中物理),他的直觉会超越两足动物的局限,随着训练的程度达到新的精确度,比如说把牛一定律变成他的直觉。但一个人具体的生活年代和环境,并不反映他应有的直觉水平,或者他的直觉正确程度。比如我95岁的奶奶(文盲),直到今天仍然不同意我说的地球围着太阳转。比如美国仍然有20%以上的人认为地球生命历史不超过4000年。

十八、十九世纪是直觉型科学理论达到顶峰的年代。能量守恒定律(在不久以后就将被进阶的“反直觉”理论给河蟹了),热力学第二定律(“一个房间不花力气整理只能越来越乱”),在它们刚刚被提出的年代,文盲仍然会认为是反直觉的,受过良好科学训练但非专业的头脑,一听到就知道是正确的。而真正的前沿研究者则是醍醐灌顶:“这么简单明白,怎么我就没有归纳出来呢?”非常精彩,非常辉煌,但在物理学上,一般人类直觉能够企及的高度也就到此为止了。接下来的爱因斯坦、海森堡、薛定谔,一个比一个猖狂地反直觉。相对论刚刚提出的时候,不要说普通人,就是顶尖物理学家,也认为爱因斯坦简直是在说胡话。对今天世界上99%的人来说,相对论和量子物理仍然是胡话。然而我们现在都知道,他们是正确的。因为广岛真的被炸掉了,我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。

“反直觉”的优势在现代物理学中很清楚。能够以普通人类直觉发现的真理,基本都被发现了。剩下的真理必然都很古怪难以接受。在这样的高度还去依靠直觉,多半都要犯错误。比如爱因斯坦的“上帝不掷骰子”,听起来很美好很庄严,结果证明错误。同样是老爱的坚信宇宙密度常数严格等于1,宇宙会无限震荡,听起来很和谐很完满,从现在的证据看来,也是错得离谱。即使是无数物理学家(再一次包括老爱)追求的圣杯:统一场理论,也是一个高级的直觉型假说,前景仍然不妙。总之在现代物理学中,寻求反直觉的答案,克服直觉障碍去接受和欣赏反直觉的理论,反而被养成了研究者的本能。看看霍金有多少胡话(姑且不说他的胡话站得住脚不),以及被学界和起哄界怎样异口同声地热捧。

然而在生物学中,直觉与反直觉的力量对比就完全是另一回事了。

达尔文的进化论,是生物学中开天辟地的反直觉理论。在著名的钟表匠辩论中,神创论者洋洋得意的雄辩(Paley主教:“我们看见地上有一个精致的怀表,自然能肯定某处一定有一个钟表匠!”),首先是一个蹩脚的比喻,然后不过是一个粗浅短视的人类直觉。如果放到现代物理学那种气氛中来看,连认真驳斥的价值都没有。然而这种直觉式的大脑当机,却能跟进化论翻翻滚滚地斗上一百多年。直到今天,仍然妨碍大众在生物学上入门,仍然堂而皇之披上科学的外衣来反科学,仍然有少数严肃的学者在掉进相同的直觉陷阱(Fred Hoyle,天文学家和数学家:“生命起源于地球的概率就像大风吹过机械垃圾场组装出一架波音747的概率”。这句话被各种神棍肆无忌惮地篡改,主语直接变成了“进化论”。实际上Hoyle并不反对进化论原则,只是在概率计算上有异议,从而认为地球生命必然有地外来源,才有时间来满足他的概率计算结果。他的领域是生命起源)。这篇文章的主题不是跟他们叫板,所以这里先暂且不提,后文再加讨论。

并不是说,科学家就不会被直觉蒙蔽。前面曾提到,反直觉天才如爱因斯坦,也曾连挖三个直觉的大坑。只是在生物学中,直觉理论的顽固性来得特别的强,而对反直觉理论的接受来得特别的艰难,不管大众和专业领域都是如此。进化论就曾有直觉与反直觉的争论,即是用进废退学说和自然选择学说。在那个对遗传的物质细节一无所知的年代,用进废退理论的描述来得如此自然。“长颈鹿需要吃高处的叶子,伸着伸着脖子就变长了”,直到我上小学《自然》的时候,我的老师仍然是这么讲的!近两百年之后都还是这样,可想而知达尔文主义在初生年代的四面楚歌。话说回来,即使艰深繁杂如生物学,仍然是科学。科学的伟大就在于在科学的竞技场中,我们可以肯定真理必胜,即使前面被拍倒一百次,走上一千个曲折。人生中其他的事情,不管是政治、感情、事业还是道德正义,我们都不能打这样的包票。这也是科学对我的终极吸引力。

这篇文章要介绍的化学渗透理论,就被誉为二十世纪最伟大的“反直觉”生物学发现,虽然它并不为公众熟知。这里所说的直觉,并非一般常识,已经是二十世纪生物学家和化学家中非常精深的理论直觉了。然而当直觉走入死胡同时,一个“怪异”程度不下于相对论或者进化论的新理论蹦了出来。它在初期所受到的不公正待遇,以及它最后的辉煌成功,都是可以相提并论的。

【化学渗透简单模型,图片出处:http://www.ib.bioninja.com.au】

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阅读全文可移目至:《二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透

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63 Responses to “二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透(一)”

  1. rolf说道:

    杀花,但正文在哪里?

  2. Forhiding说道:

    正文呢

  3. kimloo说道:

    求正文.....

  4. 异教徒说道:

    从googlereader上追过来,发现果然断了。。

  5. cyler123说道:

    最反直觉的事情就是:你以为点开链接就可以看到全文,其实你错了。你以为你看到的只是前戏,其实就这么多了

  6. 方潤说道:

    這篇應該叫「前言」,不是「一」,因為根本沒相關內容……

  7. mry77说道:

    文章标题应该改为 化学渗透(0)

  8. peter1123说道:

    擦。。。
    那个长颈鹿的脖子到底是怎么回事?

    • gbjlpeng说道:

      (带)脖子不够长(基因)的(个体)都饿死了,剩下的都是(带)脖子(足够)长(基因)的个体

      • 能整二两说道:

        那么为什吗还有脖子短的鹿?

        • 某科学的小灵通说道:

          因为他本来就有啊…

        • 怀璧说道:

          长颈鹿生活的环境比较恶劣,短脖子的不但要跟长脖子的同类竞争,还要跟羚羊之类的异类竞争,可能是单纯吃草竞争不过异类,而能吃树叶的相对有优势,所以短脖子的被淘汰了。

          • Joesn说道:

            额...一开始树就这么高的话,根本没有一只长颈鹿能吃到树上的叶子然后都竞争不过来全死掉了怎么办.....或许有这么一只长颈鹿可以吃到也不能保证留下后代....就算留下后代也不能保证后代也有这么长的脖子...这就是Fred Hoyle的那个意思吧....

          • w说道:

            所谓的思维惯性是什么结构,考虑了化学渗透在内吗?

  9. ParietalGenius说道:

    对主题比较感兴趣,“前言”也挺精彩,期待后续

  10. 黑色南极洲说道:

    能量守恒定律(在不久以后就将被进阶的“反直觉”理论给河蟹了)

    求解释,括号里的。

  11. liruiradiant说道:

    "对今天世界上99%的人来说,相对论和量子物理仍然是胡话。然而我们现在都知道,他们是正确的。因为广岛真的被炸掉了,我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。"
    针对这句话,我一直认为后两件事对相对论、量子物理没有什么佐证作用,原子弹的裂变反应是一个类似化学反应的发现(虽然归于物理),并不需要相对论质能定律作为理论基础;GPS要投入使用,有可能使用天上地下数据反馈、不断校正的思路,得到精确的坐标,实际应用中我认为不太可能只应用事先设好的理论校正值。
    由于身边没有GPS业内的人物,第二条意见我不是很有把握,在此留名,希望多年以后看看我分析的对不对

    • summit00000说道:

      在化学反应中,分子破裂成原子,原子重新排列组合生成新物质的过程,称为化学反应。——出自百度百科

      物质的裂变聚变是在原子核等级上进行的,裂变是原子核中中子激发轰击其他原子核分裂,聚变是小原子核聚合成为更大的原子核的过程。
      第一:不是化学反应;
      第二:爱因斯坦的质能方程给出的正是核反应中质量的亏损和转化出的能量的关系。

    • axe说道:

      1、原子弹是核物理的裂变反应,不是化学反应。
      2、GPS要精确定位,星上的时钟与地面要同步,这就必须考虑到相对论里的时间膨胀-收缩的效应。

    • charleshlcai说道:

      自己去找文章看 gps里面狭义相对论和广义相对论都需要考虑的

    • charleshlcai说道:

      GPS卫星以每小时14000千米的速度绕地球飞行。根据狭义相对论,在地球上看GPS卫星,它们携带的时钟要走得比较慢,用狭义相对论的公式可以计算出,每天慢大约7微秒。
      GPS卫星位于距离地面大约2万千米的太空中。根据广义相对论,受地球质量的影响,在地球表面的时空要比GPS卫星所在的时空更加弯曲,这样,从地球上看,GPS卫星上的时钟就要走得比较快,用广义相对论的公式可以计算出,每天快大约45微秒。
      在同时考虑了狭义相对论和广义相对论后,GPS卫星时钟每天还要快上大约38微秒,这似乎微不足道,但是如果我们考虑到GPS系统必须达到的时间精度是纳秒级的,这个误差就非常可观了(38微秒等于38000纳秒)。如果不校正的话,GPS系统每天将会累积大约10千米的定位误差,是没有用的。

  12. sunwenhao90说道:

    正文在这里!http://www.douban.com/group/topic/33656795/

  13. Illusiwind说道:

    那个霍伊尔是不是就是被霍金吐槽稳态宇宙的那个?

    • Illusiwind说道:

      应该确实是,弗莱德霍伊尔。吐槽big bang结果被反吐槽……

  14. wg528说道:

    时尚白领的【网.购省.钱秘籍】:百度一下【wg528】就知道秘密了!现在知道还不晚

  15. 卡卡西莫多说道:

    我擦 前两天貌似刚在豆瓣上看的

  16. 小峰说道:

    感觉没讲完啊

  17. www.hzhengyuan.com说道:

    这样都行啊 !!我倒立

  18. 蒋劲松说道:

    文章对直觉,反直觉的解释过于牵强,这种归纳的科学哲学,相当的不严谨。也没有多大意义。
    如同文中所说的,直觉和反直觉没有严格界限的。 每个人不一样,直觉的形成有赖于其过去的经历。小爱,在量子力学领域的直觉错误,和他对这个领域现象了解的少有直接关系。不能根据一个理论的符合“直觉”或不符合"直觉“来断定该理论的对错。也不能因为普通人的直觉这个理论是错的(理由是文中的”能够以普通人类直觉发现的真理,基本都被发现了“),而断定这个理论就是对的。
    Fred Hoyle确实没有反对进化论,只是反对现有的进化论解释,无法用数学表达得出正常的结果出来。

  19. paradoxian说道:

    “可想而知达尔文主义在初生时代的四面楚歌”

    喂喂这里的达尔文主义用得不对吧!

  20. 卿云说道:

    。。。两点之间线段最短不是直线!!!
    改不改啊改不改!

  21. 力证自己疯了说道:

    老爱的公式是推来的还是为了描述能量的多而用光做参数,或是c只是个自然数?求解答!!!

    • paradoxian说道:

      推来的。狭义相对论最一开始假定光速不变(符合各种实验观测结果),给“异地同时”的定义也是基于光的传播的,然后再由此推开的……

  22. TDYWA说道:

    相对论是反直觉,但不会被当时的科学家不屑一顾的,麦克斯韦的电磁理论和洛伦兹变换早就打过基础了

  23. 拼图者说道:

    “我是谁?”的唯一答案是记忆——这是直觉还是反直觉?因为我觉得除了记忆,没有任何东西能让我知道我是谁。

  24. wzy77cn说道:

    在QQ邮件订阅里读的一二三四全文。
    这是我近两年读过的最震撼的文章。让我对生命的认识上在《自私的基因》基础上再进一步。

  25. armor说道:

    因为广岛真的被炸掉了,我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。

    狗屁不通. 原子弹关爱因斯坦鸟事. GPS上相对论校正有鸟用.

    • Vincent说道:

      作为一名高一学生 弱弱的说一句E=mc2
      原子弹的能量 不就是原子核的什么质能转换么

    • nnkk说道:

      相对论与原子弹的关系在于质能方程,原子弹的能量来自于delta m与光速平方关系。
      GPS校就是高速运动下时间变慢的问题,更是狭义相对论的主要推论之一。

      • 一叶飞刀说道:

        爱因斯坦与原子弹的关系比热力学理论和蒸汽机的关系还远。先有蒸汽机,才有热力学理论。

        麦克斯韦提出了电磁方程组,有该方程知,光速为定值,随即发现光速对任何参考系都不变,狭义相对论是对此现象的解释。

        而原子弹起源于放射性的现象,在上世纪二三十年代,包括爱因斯坦在内的绝大多数科学家都认为释放核能不可能,爱因斯坦明确表示,要想打中原子核以便让其分裂,如同黑夜打鸟,鸟还不多。原子弹是德国人先走出了第一步,他们不用α粒子为炮弹,而改用中子,从而获得链式反应。

        爱因斯坦对原子弹的贡献,也就是那封信。

        E=mc2,那只是个近似

    • Sara说道:

      这个armor就是个典型文盲

    • AlbertEWang说道:

      不用相对论校正误差大到半径5公里 你敢用?不把你引到河里去才怪

  26. qhej说道:

    牛顿的惯性观点是根本错误的

    众所周知,汽车(物体)由运动转为静止的根本原因,是汽车本身的重量造成的,地面的摩擦作用仅仅是一个完全被动的消极的过程。这是一目了然的事情。

    那么,惯性究竟是怎么一回事呢?

    发个简单示意图来说明一下:
    ================ 受力
    运动—————————

    上图表示的即是一辆汽车〔物体〕受力与运动的整个过程。双线部分表示汽车受力的过程, 单线部分表示汽车运动的过程。根据能量守恒定律可知,两个过程大体相等。

    由此不难看出,惯性并不是牛顿所说的‘物体具有保持其原来的运动状态的性质’,而只是每个物体都具有的(受力与运动不同步)运动滞后力的性质(这类似于电容器的充放电过程)。

    无疑,用能量守恒与转化的观点来分析惯性现象,这已经高过了伽利略以及牛顿的认知水平。因此现在看来,当年伽利略对亚里士多德的‘力是产生和维持运动原因’观点的否定,是根本错误的。试问:在地球上,没有‘力’的推动物体能够产生运动吗?!当人们认识到‘力’只是机械能的表现后,亚里士多德的上述观点理应重新得到人们的肯定。

    否定之否定。

    • qhej说道:

      对人教版高一物理——如何学好高中物理视频的评论:

      在说明洒水车的问题时,老师说洒水车运动时受到的阻力与车重成正比 ;可在解释牛顿第一定律及其惯性时,却把物体运动变化的原因单纯的说成是地面给的摩擦力作用的结果,请问这不自相矛盾吗?在这里究竟哪一种说法正确呢?

      众所周知,摩擦力=重量×摩擦系数。可是牛顿第一定律及其惯性定义却认为地面摩擦力与物体自身重量无关。对这一显而易见的错误,难道人们还需要继续思考和争论下去吗?

      • rowland说道:

        牛顿与教科书说的没错,是你理解有误。摩擦力是改变洒水车运动状态的外力,摩擦力和重量成正比,这两个理论都没错,也不互相矛盾。

      • 求索说道:

        我们可以理一理逻辑链条:
        1. 惯性定律指出了“惯性”这一属性的存在。
        2. 动量守恒律将“惯性”定量化。出于历史原因,它被叫做“质量”(确实是牛顿的一大失误。读过《原本》的人都知道三定律的原始版本在表述上是很糟糕的。例如“定义”质量为“密度*体积”,这分明是循环定义嘛……因此许多人叫它“惯性质量”)
        3. 牛顿第二定律定量化了“力”——改变运动(动量)的因素(许多人会说牛二定义了力。这要看你怎么看待……数学上讲它确实是一个定义式,但是力(作用)本身就是物理实体。费恩曼就这一问题在《讲义》中作了很多阐述……好吧我承认自己也没大理解。不过与要讨论的问题无关。)
        4. 等效定理指出惯性与引力的起源是同一的,量化地讲就是惯性质量=引力质量。因此才有重量=质量*g
        5. (Finally)实验(强调!)表明在低速的条件下(强调!)摩擦力与重量大致(强调!)成正比。

        缺少中间的任何一环都会使链条崩溃。所以没有循环论证,ok?

        也顺便评点一下关于惯性定律的评述:
        看问题本无对错(真的)。怎样的解释都对……但问题是,物理学对“解释”的要求是不高的——能够说明问题、不太繁琐就够了,如果有那么些“美感”则更佳。物理重的是预言,以及实验结果是否支持预言。不妨根据您的理论做些可观测的、与现有理论不符的预言?然后我们再来聊聊。或者做点实验?

      • fenda说道:

        牛顿第一定律可以理解为:合外力不为零会改变物体的运动状态(速度方向、大小),也可能只是使物体发生形变。
        而合外力不为零,根据F=ma,这个a当然和物体质量有关。

        不懂不要妄加判断。。。

      • ren说道:

        胡说八道。你那些问题高中生都能解决,还好像自己很厉害似的。摩擦力跟重力有啥关系!?
        滑动摩擦=压力×动摩擦因数

    • Extremist说道:

      别让人笑话了…

    • 秋肃说道:

      回复:“试问:在地球上,没有‘力’的推动物体能够产生运动吗?!”
      你都知道是在地球上,地球上有引力你知道吗?你就算把条件假设成太空,太空中也有行星对物体的引力。所以说牛一的条件是“物体不受力”才能得到‘物体具有保持其原来的运动状态的性质’

  27. 十二号元素说道:

    这帖子已经被大量不懂基本物理原理,但又牛叉哄哄自以为是的民科占领了。

  28. 一叶飞刀说道:

    关于越重的物体落的越快:

    1. 口语中的重,如果不加解释,一般指密度,显然越重的物体(在空气)中落的越快。

    2.如果较真一点,就指两个铁球吧。考虑空气阻力,还是大铁球落的快,原因是质量与半径的立方成正比,重量与质量成正比,而空气阻力与半径的平方成正比。

    3.如果非抬杠,真空中的球形鸡,好吧,根据牛顿第二定律,铁球下落的速度与其质量无关,根据牛顿第三定律,铁球对地球有反作用力,这个作用力的大小与铁球的质量成正比,显然,地球“扑”向铁球的速度与铁球的质量成正比。

  29. Fitz说道:

    在著名的钟表匠辩论中,神创论者洋洋得意的雄辩(Paley主教:“我们看见地上有一个精致的怀表,自然能肯定某处一定有一个钟表匠!”),首先是一个蹩脚的比喻,然后不过是一个粗浅短视的人类直觉。
    1、为什么说这是一个蹩脚的比喻?是否蹩脚的判断标准是什么?
    2、在15世纪,人们普遍认为的,无论是天圆地方,还是地心说,都只是因为限于科学水平的不够。如果我们看不到上帝,于是就像是在15世纪否定地球是圆的,否定地球围绕太阳转一样,而不去思考我们之所以未看到,是否也是因为限于科学水平,我只能说“秦人不暇自哀而后人哀之,后人哀之而不鉴之,亦使后人复哀后人也。”

    • Sean说道:

      同意。什么是科学?什么是反科学?如果科学认为在没有任何”科学“基础的前提下相信自己的适用性是无限的,那么和宗教,有区别么?如果发现自己能力的有限性,那又为何指着自己不能解释的事情乱评论,而不是闭嘴呢?

  30. seamon说道:

    没想到这儿也好多民科啊。。。不懂核裂变的,不知道GPS和相对论关系的,甚至不理解牛顿定律的。问一句,现在真的普及9年义务制教育了吗。

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