原子的连接方式,其实和“俄罗斯方块”异曲同工 | 孙亚飞——科学讲坛

原子的连接方式,其实和“俄罗斯方块”异曲同工 | 孙亚飞——科学讲坛

“自然界中所有复杂的分子都是不能在中间找出一个镜面的,也就是它自身是不具备对称性的。”

孙亚飞

清华大学博士

很多人都会问我这样一个问题:我是从哪里来的?人是由什么东西构成的?人类和世界万物之间有什么区别?

 

从化学的角度来讲,人类和世界万物之间还真没有什么区别。

 

我们是由原子一个个地堆积起来,慢慢地构成的。

 

但是我们得想,为什么有些原子可以构成我手上的提词器,有些原子就可以构成人?

 

这就是原子玩出的一个游戏。

 

今天我就给大家讲一讲人是怎么产生的。

“俄罗斯方块”与原子连接

 

我叫孙亚飞,2003年保送到北京大学化学院,在这之后又工作了一段时间,2014年又重新回到清华化学系读博。

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我的经历可能会让很多人想:你读书又是去北大,又是去清华,是不是从来都不玩游戏啊?

 

适度游戏健脑,沉迷游戏伤身。

 

可能大家打开游戏的时候,都会有这样的提示语。

 

但是我相信,很多同学在家都会玩游戏,打开手机玩玩“王者荣耀”或者“吃鸡”。

 

有些家长也会对此很反对,是不是孩子一天花那么多时间玩游戏,就会怎样怎样。

 

但是如果单纯从这件事情来讲,我认为我们不能一刀切,玩点游戏还是可以的,因为我12岁的时候,也特别喜欢玩游戏。

 

而且那个时候,不像现在有手机,点开之后就能玩很多种游戏。

 

那会就只有红白机,还有小的电子游戏机,点开之后就是很简单的音乐,能够玩一些非常简单的砖块游戏,还有“俄罗斯方块”之类的。

 

我就特别喜欢玩“俄罗斯方块”,所以35岁的时候,我还在玩“俄罗斯方块”,只不过手上的机器换了,我换成了“任天堂”的NS。

 

打开之后,我发现它也可以玩,而且模式和现在流行的“吃鸡”很像。

 

玩了两天,我还拿到了冠军。

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你可以想象我很小的时候玩的水平是怎样的。

 

至少不是特别差,而且玩的时间肯定也不少。

 

大家不要觉得玩游戏就肯定上不了好学校,其实还是可以的。

 

我今天说的原子游戏,就是从“俄罗斯方块”这个游戏里提炼出来的。

 

玩过“俄罗斯方块”的肯定都知道,它有最基本的七种形状,这几个形状非常有意思,它必须满足几个要求。

 

第一,所有的拼块都是由四个正方形的方块构成的。

 

第二,每一个方块都必须要和另外一个方块用边结合,七个方块都要满足这样的规律。如果两个方块是角对角的连接,就是不行的。

 

第三,如果按照这个规律去做,那么四个方块能拼出多少个?不管怎样拼,都只有这七个。

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也就是说 ,“俄罗斯方块”是用了所有由四个方块拼成的、用边连接的一个形状,然后通过这些形状的变形,去做这个游戏。

 

这是非常有意思的地方,它用了很简单的逻辑和形状,就能够把游戏内容做得很丰富。

 

当然,它的模式还是非常简单的,就是放进去,然后消一层。

 

我后来学化学的时候,联想到玩“俄罗斯方块”的经历,突然觉得,这是不是就是原子连接的形式呢?

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分子也有形状

 

原子是构成世界万物,包括人类在内的基础。

 

当然,原子并不是最小的单元。

 

现在通过量子物理,已经找到了比原子更小的结构。

 

原子本身也可以分为电子、质子、中子的形态。

 

质子和中子形成一个原子核,在中间,电子是很小的,它在很远的地方。

 

电子是基本粒子,但是质子和中子不是,它还可以再继续往下分,一直分到夸克。

 

夸克是不是更小的?

 

现在也不知道。

 

所以并不是说原子就是最小的单位,但是,原子对于构成世界万物的基础来说,它是最小的单元,这是没有错的。

 

在所有化学反应当中,它都是最小的单位,它不会再往下发生变化。

 

世界万物的同样也是通过原子连接起来的。

 

如果“俄罗斯方块”是这样的一种连接方式,那么原子是怎样的呢?

 

它和“俄罗斯方块”还真是异曲同工。

 

我这里举了三个非常典型的例子,一个是长条,玩这个游戏的人肯定都会非常喜欢,为什么呢?

 

你前面可以堆到一个很高的高度,然后留出一个长条来,把这个长条放下去,就能够消掉四行,消四行的得分是非常高的。

 

这就很像原子,一个个地依次连接起来。

 

还有一种就是T形。

 

如果原子也是这样一个一个地相连,它是不是很像三个原子连接起来,然后在中间的原子上面又连接出去一个呢?

 

最后是一个方块,方块就更有意思了,每一个小方块都是跟另外两个方块相连的,我们把每一个方块当成一个原子,然后跟两个相连,它就形成一个环状的结构了。

 

所以用四个原子就可以形成这三种不同类型的结构。

 

世界万物的连接,非常重要的一种原子是碳原子。

 

人类都是有机物,也是由碳原子构成的,碳原子的连接就很像这样的结构。

 

如果拿出四个碳原子,按照上面的结构去连接,首先就是正丁烷的结构,中间就是异丁烷的结构,最后一个是环丁烷的结构。

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正好就是四个碳原子能够连接的所有形态。

 

说到这,可能你会问:为什么四个方块能拼出七个,但是用四个碳原子却只有这三种结构呢?

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这是因为如果我们把这个结构简化出来,方块、L形和S形,这三种形状是等价的。

 

这个方块也是一个方块跟另外一个方块连接,中间的两个当然是两边都有。

 

L形也满足这样的形状,它也是两端的,都是跟这个连接,中间的分别是跟两个连接。

 

S形就不多说,也是这么一个模式。

 

所以这样的三个形状是等价的。

 

这个结构就是简化之后,它们都是长条形的。

 

这就带来一个新的问题:原子在连接的时候,就没有形状了吗?

 

“俄罗斯方块”是靠不同的形状来区分的,原子连接是不是也应该有这么一个规律呢?

 

还真有。

 

如果原子再连接,连接成分子的过程,也可以让它从这个连接形式,变成一个有形状的结构。

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像这个S形,如果我们把正丁烷中间的单键变成一个双键,简单来说,就是通过这个结构,把分子的形状固定住了。

 

再去看的时候,它就形成了一个S形。

 

也就是说,原子在构成分子的时候,也是有形状的。

 

可不要说这是一个很简单的道理,在人类的身体中,有很多蛋白质。有一部分蛋白质起到了催化的作用,我们把它称为“酶”。

 

酶能够起作用,就是因为它的形状是非常特殊的。

 

所以,原子在构成分子时需要有不同的形状,这也是非常关键的。

 

分子也很小,从分子再变成更大的结构时,也会遵循这个模式。

 

比如平常的雪花是六角形的,这个六角形是怎么来的呢?

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雪花的分子就是水,水的结构很简单,就是两个氢和一个氧,它形成的结构是V字形的。

 

V字形的水是怎么变成六角形的雪花的呢?

 

这就是因为V字形的水是有特定的形状的。

 

它再组合、结晶变成更大的雪花时,每一个水分子和另外的水分子之间,都会以特定的形状结合。

 

假如水不是V字形的,而是长条形的,那绝对就堆不出这样的雪花来。

 

就是因为它有这么一个结构,其他的水分子会绕着它形成六个包裹一个的状态,然后再继续延伸,最后就出现了六角的雪花结构。

 

所以原子在构成分子的过程中具有形状,这个简单的道理影响了很多东西。

 

除了雪花和酶之外,世界上任何一种物质,你去看它的结构,都是原子在构成形状的基础上构成的。

 

在“俄罗斯方块”中,左边这个红色的是S形,这个紫色的,我们一般称之为Z形。

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这两个形状为什么是不同的呢?

 

这两个形状看起来是不是很像?我们在打游戏的时候,也会不小心把其中一个看错了,然后放下去,发现不能放。

 

这个在化学当中也是存在的。

 

S形和Z形就像人的两只手一样,在镜子里面是可以反射的、对称的。

 

但是是不能够完全重合的,你可以区分出左手和右手。

 

同样,这个绿色的是J形,青色的是L形,这两个也是一样的特点。

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你可以看到它可以背靠背,就像照镜子一样,但是也是不能重合的。

 

但这个T形就是可以重合的,你画不出两个T形来,不管哪个角度,四个方向变,所有的T形都是一样的,这就很有意思了。

 

这是因为在S形和Z形的组里,自身是不带有镜面的,它只能够通过镜面反射出另外一个。

 

这个特点在化学上叫“手性”,因为就像人的左右两只手一样。

 

那T形为什么没有呢?

 

因为从中间画一道,它两边是可以对称的,所以你把它扭转过来,不能扭转出新的镜面对称的结构。

 

这也是非常有意思的。

 

自然界中所有复杂的分子都是不能在中间找出一个镜面的,也就是它自身是不具备对称性的。

 

这有什么特点呢?

 

比如葡萄糖是我们身体的基础,在化学当中,它应该叫“D葡萄糖”,和它相对的还有一个“L葡萄糖”。

 

这两种东西就像不同的形状一样,在镜子里面是对称的,D葡萄糖和L葡萄糖就像照镜子一样。

 

但是它自身是没有办法重合的,也就是D葡萄糖和L葡萄糖是没有办法重合到一起的。

 

自然界的所有生物都以D葡萄糖为基础,L葡萄糖我们吃了之后是不能消化的。

 

它们的化学性质是一样的,但是我们只能选择其中一种。

 

田螺一般都是左旋的,很少有右旋的,还有其他的各种贝壳,都有这样的特征,这也是通过生物进化发生的过程。

 

自然界中所有的对称性最后都会发生破缺,因为分子本身就是不对称的。

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人是如何形成的?

 

从原子到分子,又是怎么样变成人类这么复杂的生物的?

 

当然 ,我不是要讲进化论这么复杂的主题,我只是讲它演化的过程。

 

有了这些形状之后,我们就来说说“俄罗斯方块”的模式是怎样的。

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可以看到,在堆砌的时候,它可以堆得很紧密,最后留出一格,再去把长条或者其他的形状放进去。

 

所有的连成十个,每一排填满之后就可以消去,就是这样一个非常简单的规矩。

 

这个规矩在我们实际操作的时候,会演化出各式各样的形状。

 

很难做得到一盘游戏,你再去玩第二次的时候还能玩出一样的结果。

 

几乎每一个下去的时候都带有一点随机性,这就很像自然界中分子组合的过程。

 

自然界并不像人类知道有一个规矩,一个个依次把这些摆开。

 

没有。怎么办呢?

 

那就是随机性地摆,有时玩得很好,正好能够把这些填平,就可以消掉。

 

有些时候可能玩翻车了,最后就堆得乱七八糟,什么都不是。

 

自然界就是通过长期的演化,玩出了一个很庞大的“俄罗斯方块”的局。

 

玩出来之后你就会发现,有时可能玩得还不错。

 

像我们DNA,就由四个核酸构成,四个核苷酸、四个碱基对,也就是胞嘧啶、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和腺嘌呤。

 

它的构成首先就是原子形成这四个碱基对的过程,是一次小型的“俄罗斯方块”。

 

这些原子一个个地形成,有一些可能不合适,就像玩游戏的时候玩得不好,它就被淘汰了,玩得好的最后就形成了,这四个碱基对能够被生物利用。

 

这四个碱基对再去拼接时,又会再玩一次大型的“俄罗斯方块”。

 

这四个碱基简称A、T、C、G,A、T、C、G连接时,也是没有规律的,它可能是一个完全随机的过程。

 

有些随机随机着就出现了还不错的一个顺序,这个顺序我们现在就管它叫“基因”。

 

为什么这么讲呢?

 

它这种特定的顺序可以连接不同的氨基酸,氨基酸又去组合,组合之后形成一个蛋白质,蛋白质恰恰是可以被利用的。

 

它又是一次选择、一次淘汰的过程。

 

很多碱基对组合的密码都是没有意义的,人类的基因也是一样。

 

人类每一条DNA都有两米多长,拉开之后是非常长的,可能有数千万个原子那么长,这么长的碱基对里只有很小的一部分是有用的数字。

 

那些没有用的被淘汰了,只有那些有用的被解读出蛋白质,然后被我们身体应用了。

 

在这个过程中又有了新的变化,这些形成的长条会发生蜷曲,我们就管它叫DNA。

 

DNA是形成的一个双螺旋,这个双螺旋又会形成一次新的“俄罗斯方块”,什么意思呢?

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进化论里讲,有一些基因可能在生物体里发育的时候并不是很好,并不是很合适,它最后就被淘汰了。

 

有一些生物运用了比较好的基因,比如人相对来说毛发是比较少的。

 

就是因为在长期的过程中,我们多毛发的那个基因慢慢地消失掉了,变成了这相对来说毛发比较少的一种生物。

 

从原子到最后的生物,都经过这样的演变,在人类自己的创造下,我们可以通过原子去制造分子,然后再用这些分子去制造出像提词器这样的一些物件。

 

但是大自然也在塑造生物,通过原子,也是玩同样的游戏,把生物从一个个的分子再变成一个复杂的碱基,然后再变成基因,最后变成人。

 

人也是一步步地从原始人进化到了现在的这样子,整个都是一个很庞大的原子游戏。

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我今天要讲的就是这样很简单的,但又是很复杂的一个过程。

 

时间有限,我不可能展现出它的全貌来,可能还需要大家在自己平常的读书学习过程中,慢慢地感受这个游戏的魅力。

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