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物理学中的直觉 精选

已有 10195 次阅读 2008-6-30 05:58 |个人分类:生物物理-biophysics|系统分类:科普集锦|关键词:biophysic,,intuition| biophysic, intuition

 


费米的第一堂物理课

费米是物理学家中很有天分的人,他在高中的时候就通读了理论物理学的一整套书籍,并深以为乐。然而他到了哥伦比亚大学教授理论物理时,第一堂课既不是复习微积分,也不是谈量子力学的神奇,而是问了一个很简单的问题,然后让大家去思考。

他问道:“我想让你们估计一下整个纽约州所需要的钢琴调音师的数量?”这似乎和物理并不沾边,往往很多人不知道如何下手。物理书上没有讲过的,也就不知道怎么办。这个问题背后的思路其实很简单:纽约州的人口大约是一千万,大概每30个家庭中就会有一台钢琴。以平均一个家庭3个人计,所以大概纽约州有10万台钢琴。以纽约天气的潮湿度估计,大概3年约1000天需要对钢琴做一次调音,并且一个调音师平均一天可以调两台钢琴, 通过简单的计算就知道是50个钢琴调音师。但是考虑到周末放假、中途交通时间,上调到最近的量级,所以概略的就可以知道整个纽约州大概需要100个钢琴调音师。然后,费米让大家翻一翻纽约州黄页,这个非常简单的估计在量级上竟然非常准确。这就是做物理的人所需要的直觉。其实真正学习物理的目的,是通过前人解决物理问题实例的学习,学习到解决物理问题的思路和方法。

 

生物物理中的直觉

钢琴调音师的估计似乎与物理有些不着边际,但是相同的思路在生物物理中导致了真正的科学发现。人体中的红细胞具有极为输送氧分子的重要的功能,它是一个两侧内陷的饼状物(Fig.1),直径为20微米,在普通光学显微镜下就可以看到。红细胞具有极大的可伸缩性,使其可以通过比起小很多的毛细血管,因此其细胞膜可以承受巨大的变形而不破裂。那么它的结构到底是什么样的呢?一般的思路是,通过X射线散射,或者中子散射实验来确定细胞的结构,因为这些都是生物物理中通常使用的方法。但是,在使用惯常方法之前,有没有想过有更简单的方法呢?

 


Fig. 1 red cell in human blood

其实他的结构很简单,就是一个bipolar的双分子膜(Fig. 2)。这个双分子膜的层数是如何决定的呢?这最早是由荷兰的物理学家GorterGrindel所确定的。他们首先通过光学显微镜数出红细胞的个数,由此计算出红细胞的表面积。然后通过化学的方法将红细胞打碎并提炼出其膜物质(lipids),测量出其体积。由体积除以表面积,参考lipids分子的大概尺度,由此推算出红细胞的细胞膜是一个双分子结构。这个发现,是在电子显微镜出现十数年前就得到的结果,也是一个了不起的发现。大家如果仔细阅读过Science Nature上的分子和细胞生物物理方面的文章,就会发现大多数发现并没有用到高深的数学模型(但是千万不要误会,数学模型在生物物理中很重要),真正很重要的是有一个很有创见的思路。

 


Fig. 2 bi-layer cell membrane

物理中的时尚

并不是仅仅在流行文化中才有时尚,物理学的研究中一样有时尚。比如在Laplace的年代,流行的就是写出一个物理现象的偏微分方程,由这个偏微分方程来解释相应的物理现象;而现在,物理中流行的是作出一个计算机模型,无论的是全球变暖的气候模型,还是即将运行的LHC的高能粒子物理实验,从由冷原子构成的BEC凝聚态物理现象,还是DNA复制中RNA polymerizer的基因复制与排错,都是写出一大串数理方程,然后通过计算机求解,并由此来解释观察到的物理现象。但是现在的问题是,很多的研究者(也包括我自己),写出数理方程,计算机求解都很上手,但是对方程背后的物理现象的本质,还了解得不够(We still need the few years to truly understand what we are talking about)。举一个例子,这次到柏林马普所与Mikhailov教授合作关于HIV病毒功能蛋白质的动力模型,这个蛋白质我已经算了很长时间,觉得该了解的都了解了,自我感觉良好。但交流已开始,Mikhailov教授的问题让我出了一身汗,比如蛋白质动力状态改变的蛋白质链的Marker是什么,有生物酶催化吗,整个过程是否消耗ATP?和高手过招,才了解找自己的差距。真正了解一个生物物理中的现象,往往是需要从直觉上了解中整个过程为何会如此,方方面面都要了解得很清楚,在这样的基础上建立起来的数理模型才会真正的有效。

所以,在数理方程和计算机模型的年代,我们反而需要更多的关于物理直觉的考虑,不要让自己迷失在数字和抽象模型的世界。

 

 

 



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3 许优华 阎建民 吴电明

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