费曼的跨界故事-一个要找“猫体构造图”的傻帽生物研究生

混沌巡洋舰 2022-06-23 22:24
摘自 费曼经典:一个好奇者的探险人生
精装典藏|完整收录费曼毕生经典自传文章,一书通读大师的人生观、科学观、教育观


01
在普林斯顿大学的研究生院食堂,大家一般都和自己人坐在一起。虽然我平时和物理学家们坐在一起,但是过了不久我就想,为什么不看看外面世界的其他人在干什么呢?于是我会轮流和其他学者坐一到两周。

和哲学家们坐在一起时,我听到他们非常认真地讨论一本名叫《过程与实在》的书,作者是怀特海。他们的措辞非常古怪,我不太能理解他们在说什么。我不想打扰他们之间的对话或者要求他们不停地给我解释,但为数不多的几次我确实这么做了,而他们也试着让我理解,但我仍然听不懂。最后他们邀请我去参加他们的研讨会。

哲学研讨会有点像上课。他们一周一次开会讨论《过程与实在》里新的一章——某个人先做报告,接下来是讨论。我去参加研讨会前,对自己承诺保持缄默,时刻提醒自己关于这个主题我什么也不懂,我去那里只是旁听。

接下来发生的情况很典型——典型到难以置信,却很真实。首先,我坐在那里一言不发,这也令人难以置信,但这是真的。一个学生针对当周要研读的那一章做了报告。在这一章,怀特海一直以一种特定的专业方式使用“基本客体”(essentialobject)这个词,我猜测这应该是他之前定义过的,但是我听不懂。
在讨论了一阵“基本客体”的意义后,组织这场研讨会的教授为了阐明某些东西,在黑板上画了一个类似于闪电的图形。“费曼先生,”他说,“你认为电子是一个‘基本客体’吗?”

这下我可惹上麻烦了。我先承认并没有读过这本书,所以不知道怀特海想用这个词表达什么,我来这里只是为了旁听。“但是,”我说,“如果教授能先回答我一个问题,我就能试着回答一下你的问题,因为这样我才能对‘基本客体’的意义有更好的理解。请问一块砖是一个‘基本客体’吗?”

我的目的是搞清楚他们是否认为理论的构想也属于基本客体。电子是我们使用的一个概念,这个概念的作用在于帮助我们理解自然的运作方式。作为概念的电子非常有效,以至于我们几乎可以说它是真实的。我想通过类比把理论的意义说清楚。对于一块砖而言,我接下来的问题会是,“那么砖的内部呢?”——然后我会指出,没有人看过一块砖的内部。每次把砖打碎,你只能看到砖的表面。砖的内部只是一个能够帮助我们更好地理解事物的简单理论。有关电子的理论只是一个类比。所以我开头才会问:“一块砖是一个基本客体吗?”

答案纷至沓来。一个人站起来说:“作为一块独特、具体的砖,这块砖就是怀特海所说的基本客体。”

另一个人说:“不对,单独的一块砖不是基本客体。基本客体指的是所有砖共有的一般特征——它们的‘砖性’。”

又一个人站起来说:“不,不在于砖本身。‘基本客体’指的是当你想到砖时,你脑海中产生的概念。”

一个人站起来,然后又一个。可以告诉你,我从来没见过这么多如此有创意地看待砖的角度。就像所有哲学家的故事一样,场面最终陷入了彻底的混乱。在之前的所有讨论中,他们甚至从没有问过自己,像砖这样的简单物体,是否是一个“基本客体”,更不用说电子了。

02
在那之后的晚饭时间,我又去生物学家的餐桌旁。我一直都对生物有些兴趣,他们的话题也很有趣。有些人邀请我去上即将开课的细胞生理学。我对生物学略知一二,但这毕竟是一门研究生课程。于是我问:“你们觉得我能上吗?那门课的教授会让我进吗?”

他们问了这门课的老师埃德蒙·牛顿·哈维,他对发光细菌很有研究。哈维教授说只要完成一个条件就可以加入这门专业进阶课程,那就是我要和其他人一样,完成所有作业,并且提交报告。

在第一次课上讨论后,邀请我来上课的那几个人想让我用显微镜看一些东西。他们在显微镜下放了一些植物细胞,我看到一些名为叶绿体的小绿点(在光照下,它们会产生糖)转来转去。我观察了一会儿,抬起头问:“它们是靠什么转圈的?是什么在推动它们?”

没人知道怎么回事。事实证明,这件事在当时没人知道。所以我马上就发现了关于生物学的一个特点:你很容易就能找到一个有趣但无解的问题。在物理学中,你必须先对学科有一定深入了解,然后才能找到一个有趣但没人能回答的问题。

上课时,哈维教授先在黑板上花了一个巨大的细胞图,把细胞里的所有东西都标注了一遍,然后开始逐个讲解。他说的大部分内容我都能听懂。

课后,邀请我来上课的人问:“你感觉怎么样?”“还行吧,”我说,“我唯一不理解的是关于卵磷脂的部分。卵磷脂是什么?”那个人开始用单调的声音解释:“所有生物,包括植物和动物,都是由小砖块一样的叫‘细胞’的东西组成的......”“听着,”我不耐烦地说,“这些我都知道,否则也不会来上这门课。卵磷脂是什么?”“我不知道。

我要像其他人一样交报告。第一份作业是细胞受压后的反应——哈维教授为我选择这个主题是因为它和物理有关。虽然我能理解报告内容,但是读报告时我把所有词都念错了,在我把“分裂球”读成“分裂牛”或者读错别的什么时,整个班级都会爆发出歇斯底里的笑声。布置给我的第二个报告是埃德加·阿德里安和德特勒夫·布朗克的研究。

他们证明了神经冲动是一种敏锐的单脉冲现象。他们用猫做了很多实验,测量了神经间的电压。

我开始读这份论文。上面总是在说伸肌和屈肌,还有腓肠肌什么的。这块肌肉那块肌肉都有名字,我感到云山雾罩,我不知道这些肌肉的位置和神经或者猫有什么关系。于是我去找生物学部的图书管理员,问她是否能为我找到一张“猫体构造图”。

“先生,一张‘猫体构造图’?”她惊恐地问,“你是说生物构造表吧!”从那时起,一个要找“猫体构造图”的傻帽生物研究生的故事就流传开了。

轮到我就这个主题做报告时,我上来就画了一只猫的轮廓,接下来开始注明各部分肌肉。

班里的其他学生打断我:“这些我们都知道!”“哦,”我说,“你们知道?那就不奇怪为什么你们学了四年生物之后我还能和你们上同一门课了。”他们把时间都浪费在记忆这样的东西上了,但是查找这些东西只需要15分钟。

03
“二战”结束后,每个夏天我都会在美国自驾旅行。在我去加州理工后的某一年,我想:“这个夏天我就不换地方了,不如换个领域。”

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克刚发现DNA螺旋不久,又因为马克斯·德尔布吕克就把实验室建在这里,所以加州理工有很多优秀的生物学家。沃森要来这里办一些关于DNA编码系统的讲座。我去生物系参加了他的讲座和研讨会,感到热情满满。对生物学来说,那是一个激动人心的时期,而加州理工也在其中扮演着举足轻重的角色。

我本来没想亲手做真正的生物学研究,所以我把暑假对生物领域的探访看作一次旅行:在生物实验室转转,给别人“洗洗盘子”,顺带看看他们正在做的事情。但当我找到生物学试验室,并说明我的想法时,在实验室里管事的年轻博士后鲍勃·埃德加说这样可不行。他说:“你必须得亲自做一些工作,就像研究生一样,我们会给你一个可以研究的课题。”正合我意。

我选了一门关于噬菌体(一种攻击细菌的含有DNA的病毒)的课程,这门课教我们如何用噬菌体做研究。但我马上发现有很多东西我不用学,因为我懂物理和数学。我知道原子在液体中的运动规律,所以离心机的工作原理对我来说一点都不神秘。我了解足够的统计学知识,知道给平皿中的小斑点计数时可能出现的统计误差。所以当生物系的同人们努力理解这些“新”知识时,我可以把时间用在学习生物知识上。

(但我在那门课上学到了一项有用的实验技巧,至今依然沿用。他们告诉我们如何用一只手拿试管并把盖子拿掉——用中指和食指,同时用另一只手去干其他事,比如拿着吸取氰化物的移液管。现在我能一只手拿牙刷,另一只手拿一管牙膏并把盖子拧下来,然后再把盖子拧上。)

生物学家已经发现噬菌体会发生影响攻击细菌能力的突变,我们的目标正是研究这些突变。还有一些噬菌体会进行第二次突变,这次突变会重塑其攻击细菌的能力。一些二次突变的噬菌体和它们突变之前一模一样。而另外一些则不同:它们对细菌的作用会发生细微的改变——比正常情况更快或更慢,而细菌的繁殖也比正常情况更慢或更快。换句话说,存在“回复突变”,但效果并非完美;有时候噬菌体只会复原一部分能力。

鲍勃·埃德加建议我做一个实验证明回复突变在DNA螺旋上发生的位置是否相同。在大量细致且繁杂的研究工作后,我找到了三个发生时间非常接近的回复突变例子(比之前的所有例子都要接近),这次突变恢复了噬菌体的一部分能力。这是一项冗长的工作。研究需要一定的偶然性——必须耐心等待二次突变的发生,因为这是一个罕见现象。

我一直在琢磨让噬菌体更频繁地突变的方法,以及如何能更快地检测到突变,但是在我能想到好方法之前,暑假就结束了,而我也没有再继续研究这个问题。

好在我的轮休年假就要来了,我决定把这一年花在这所生物试验室里,但要选择一个不同的课题。我和马修·梅瑟生合作了一些研究,然后和一个和善的英国人J.D.史密斯工作了一段时间。这次的课题和核糖体有关,它是细胞中的一种“机制”,通过我们现在称为信使RNA(核糖核酸)的物质生产蛋白质。利用放射性追踪物,我们证明了RNA可以从核糖体中产生,也可以被放回去。

我非常仔细地做了测量并试图控制所有因素,但花了8个月的时间才意识到我有一个步骤做得不够周密。在准备提取核糖体的细菌时,当时的做法是把细菌和氧化铝放在研钵中研磨。其余都是可控的化学步骤,但我却无法重复当初研磨细菌时捣杵的动作。所以那项实验没有获得任何结果。

接下来我猜我得说说和希尔德加德·莱姆弗朗(HildegardeLamfrom,1922—1984,美籍德裔分子生物学家、生物化学家那次合作的经历。我们想研究豌豆和细菌使用的核糖体是否一样。我们关心的是,细菌的核糖体是否可以生成人类或其他生物体的蛋白质。她刚开发了一套方法,可以从豌豆中提取核糖体,让信使RNA和核糖体相遇从而产生豌豆蛋白质。我们意识到一个非常令人瞩目且意义重大的问题:来自细菌的核糖体在遇到豌豆的信使RNA后,生产的会是豌豆蛋白质还是细菌蛋白质?这将是一个激动人心且影响学科基础的实验。

希尔德加德说:“我需要大量来自细菌的核糖体。”梅瑟生和我为了做其他实验,曾经从大肠杆菌中提取了大量的核糖体。我说:“天哪,那我把之前那些核糖体给你好了。实验室的冰箱里有好多。

如果我是一个优秀的生物学家,这本应是一个绝妙的重要发现。可我不是个好生物学家。我们的想法很好,实验构思不错,设备也合适,但是我把一切都搞砸了:我给了她被感染的核糖体——在一个这样的实验里,没有比这更荒唐的错误了。我的核糖体在冰箱里放了近一个月,早已被其他生物污染了。要是我快速地重新准备一批核糖体,再仔细交付给她,万事俱备,这个实验本会获得成功,而我们也将首先证明生命均一性的存在:生产蛋白质或核糖体的机制对于每个生物来说都是相同的。我们有大好机会,也在做正确的事,但我却像个外行一样做事——愚蠢又粗心。

你知道这让我想起了什么吗?福楼拜小说里包法利夫人的丈夫,一个迟钝的乡村医生。他有一些治疗畸形足的想法,但他做的却只是把事情搞砸。我就和那个无知的外科医生差不多。

关于噬菌体的另一项研究我从未写出论文——埃德加总是催促我写,但我却一直抽不出时间。这也是从事自身专业领域之外研究的一个问题:你会不把它们当回事。

我确实写了一些非正式的总结发给埃德加,他边读边笑出了声。那份报告不是生物学家惯用的标准方式——先写步骤,再写其他的。我花了很多时间解释所有生物学家都知道的事。埃德加改写出简短的版本,我却看不懂了。我觉得他们应该不会发表这篇文章。我也从来没有直接发表过。(1962年有一篇论文发表。在网上搜索关键词“埃德加”“费曼”以及“噬菌体”可以找到。——莱顿原注

沃森觉得我对噬菌体的研究有点意思,于是邀请我去哈佛大学生物系做一场关于发生如此接近的二次突变的演讲。我告诉他们我对此的猜想是,一次突变改变了蛋白质,比如改变了氨基酸的pH值,而二次突变在相同蛋白质里的另一个氨基酸上做了相反的改变,所以这在某种程度上中和了第一次突变——虽然不充分,但是足够让噬菌体恢复运作。我认为对相同蛋白质的两次改变在化学上相互抵消了。

但事实并非如此。几年后,有一群人确实发现了一种更快地引发并检测突变的技术,他们发现了在第一次突变中,整个DNA碱基都消失了;接下来“代码”发生了转移,并无法再被“读取”。第二次突变要么是重新置入了一个额外的碱基,要么是再取走两个碱基。结果是“代码”又可以被“读取”了。第二次突变发生时间越接近第一次,二次突变能改变的信息就越少,而噬菌体复原的能力就越完整。每个氨基酸都有三个“字母”(碱基)为其编码,这一事实由此得到了证明。
我待在哈佛大学的那一周里,沃森提出了一个想法,于是我们在一起做了几天的实验。那是一个不完整的实验,但我在该领域最优秀的专家身上学到了一些新的实验技巧。

但最令我激动的时刻仍然是我主持了哈佛大学生物系的研讨会!我总是这样——进入某个陌生领域,看看自己能走多远。

我学到了很多生物学知识,也增长了很多经验。我能更好地读专业名词了,知道在论文里或研讨会上该说什么,还能在实验中发现不稳妥的做法。但我爱物理,并迫不及待地想要回到物理身边。


内容简介

本书完整收录了诺奖得主、科学顽童理查德·费曼的61篇经典自传文章,经过费曼的忘年密友拉尔夫·莱顿的精心编排,我们得以沿着生平时间重走费曼的冒险旅程:在麻省理工学院捉弄同学,在普林斯顿大学与爱因斯坦对话,研发原子弹的同时开遍保险柜,学敲鼓并加入桑巴乐队,在诺贝尔奖晚宴的趣事,学画、卖画、办画展,靠冰水和夹子解密航天飞机事故……费曼的这些文章,展现了他对科学、教育和人生的独特观念和态度,也告诉我们:做一个有趣的人比获得诺贝尔奖更难,也更重要。

作为费曼的好友,编者拉尔夫·莱顿为本书增加了新的注释,这些着意补充的细节为费曼的叙述增添了别样的色彩;同时收录包括费曼的照片、绘画作品、手稿在内的的30多张图片。此外,本书还特别收录著名物理学家、数学家弗里曼·戴森所作的前言,并以知名演员、导演艾伦·艾尔达在加州理工学院毕业庆典上的演讲作为后记,为这本精彩的自述辅以他人视角,更能让读者看见一个完整的、活生生的费曼。

推荐阅读