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。

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。

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。

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？

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。

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？

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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。