動物大遷徒

遷徙，在動物王國中是一件平淡無奇的事情。比如，每年冬天，鮭魚都會在歐洲北部的河流和湖泊中產(chǎn)卵，卵孵化成幼小的魚苗，順著河道流入大海，在北大西洋中發(fā)育成熟，三年后，這些年輕的鮭魚溯流而上，重新回到它們孵化的河流與湖泊中去交配繁衍。帝王蝶會在秋天遷徙數(shù)千公里，向南穿過整個美國。它們或者它們的后代（它們會在遷徙途中繁衍后代）又會向北回遷，回到當(dāng)初自己的先輩化蛹的同一片樹林。在南大西洋阿森松島（Ascension Island）海灘上孵化的綠海龜在海洋中游了數(shù)千公里后，每三年會回到那個它們當(dāng)初出生的撒滿蛋殼的沙灘上去產(chǎn)卵繁殖。這樣的故事還有很多：許多候鳥、鯨魚、北美馴鹿、多刺龍蝦、蛙類、蠑螈，甚至是蜜蜂都有能力進(jìn)行足以讓最偉大的人類探險家都感覺困難的長途跋涉。

幾個世紀(jì)以來，這些動物如何在環(huán)球遷徙中找到自己的方向一直是一個謎。現(xiàn)在我們知道，它們各有神通：有些動物會在日間利用太陽、在夜間利用恒星的相對位置來導(dǎo)航；有些動物會記憶地標(biāo)；有些動物甚至能聞到它們在這個星球上該走的路。但導(dǎo)航能力最不可思議的要數(shù)知更鳥：它們能感知到地球磁場的方向與強(qiáng)度。這種能力被稱為磁感應(yīng)（magnetoreception）。雖然現(xiàn)在我們知道有一些其他生物也擁有這項(xiàng)能力，但我們最感興趣的還是知更鳥在跨越大半個地球的旅程中是如何找到自己的方向的。

讓知更鳥知道該飛多遠(yuǎn)、朝哪個方向飛的機(jī)理，其實(shí)已經(jīng)編碼在它們從父母那里繼承來的基因之中了。這是一種復(fù)雜而又不同尋常的能力，讓它能依靠這種第六感來確定自己的航向。像許多其他的鳥類一樣（甚至還包括一些昆蟲和海洋生物），知更鳥擁有感知地球微弱磁場的能力，并能依靠內(nèi)在的導(dǎo)航直覺，從地磁場中得出方向性的信息。就知更鳥而言，它的導(dǎo)航直覺需要一種新式的化學(xué)羅盤作為指引。

磁感應(yīng)真是個謎題。問題的關(guān)鍵在于地球的磁場非常微弱。地表的磁場在30～70微特斯拉之間，這一數(shù)值雖然足以使一個處于微妙平衡中且?guī)缀鯖]有阻力的羅盤指針偏轉(zhuǎn)，但它只有一個普通冰箱貼磁力的1%。這就出現(xiàn)了使人困惑的謎題：動物要想感知到地磁場，其體內(nèi)某處的一個化學(xué)反應(yīng)必然在某種程度上要受到地磁場的影響——這是包括我們在內(nèi)的所有生物感知外界信號的方式。但是，地磁場與活體細(xì)胞內(nèi)的分子相互作用所產(chǎn)生的能量還不及使一個化學(xué)鍵形成或斷裂所需能量的1/109。那么，知更鳥究竟是如何感知到地磁場的呢？

這樣的謎題無論多么微不足道都足以令人著迷，因?yàn)檫@些謎題的答案可能將我們對世界的認(rèn)識引向一種根本性轉(zhuǎn)變的新方向。比如，16世紀(jì)時，哥白尼曾深思托勒密地心說模型中一個相對次要的幾何關(guān)系問題，這最終讓他發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟惒⒉皇钦麄€宇宙的中心。達(dá)爾文癡迷于研究動物物種的地理分布與孤立小島上雀類喙的異化之謎，最后他基于此提出了著名的進(jìn)化論。德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克（Max Planck）關(guān)心物體熱輻射的問題，他開始追尋黑體輻射之謎的解答，因此發(fā)現(xiàn)能量以名為“量子”（quantum）的離散團(tuán)塊傳遞，并最終在1900年引導(dǎo)了量子理論的誕生。那么，對于“鳥兒們?nèi)绾卧诳缭桨肭虻倪w徙中找到方向”的解答是否也能掀起一場生物學(xué)革命呢？雖然有點(diǎn)出人意料，但答案是肯定的。

但是，像這樣的謎題，也會讓偽科學(xué)家與神秘主義者們魂?duì)繅衾@。正如牛津大學(xué)的化學(xué)家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）在1976年所說：“磁場對化學(xué)反應(yīng)的影響——這一研究一直是冒充內(nèi)行的騙子們嬉鬧的領(lǐng)域。”事實(shí)也的確如此，各種古怪的解釋都在某種程度上被當(dāng)作候鳥遷徙時確定路線的機(jī)理。比如，心靈感應(yīng)、古老的“靈線”（ley lines，連接不同考古或地理標(biāo)志性地點(diǎn)的隱形線路，被認(rèn)為擁有精神能量）、由“超心理學(xué)家”魯珀特·謝爾德雷克（Rupert Sheldrake）發(fā)明的飽受爭議的“形態(tài)共振”（morphic resonance）理論，不一而足。因此，阿特金斯在20世紀(jì)70年代的看法也就變得可以理解，那反映了當(dāng)時在大多數(shù)科學(xué)家中流行的對“動物可能有能力感知到地球磁場”的想法所持的懷疑主義態(tài)度。似乎沒有任何分子機(jī)理能夠允許動物擁有感應(yīng)磁場的能力，至少在傳統(tǒng)的生物化學(xué)領(lǐng)域，這樣的機(jī)理并不存在。

但就在彼得·阿特金斯表達(dá)了他的懷疑論的同一年，一對住在法蘭克福的德國鳥類學(xué)家伉儷沃爾夫?qū)ぞS爾奇科與羅斯維塔·維爾奇科（Wolfgang and Roswitha Wiltschko）在世界最頂尖的學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上發(fā)表了一篇突破性的論文，毋庸置疑地說明知更鳥確實(shí)能夠感知到地球磁場。更令人驚奇的是，他們發(fā)現(xiàn)這些鳥兒們的感知能力與普通指南針的工作原理似乎并不相同。因?yàn)椋改厢樐軌驕y量出從地磁北極到地磁南極的磁場差異，而知更鳥只能夠判斷出地極到赤道的磁場差異。

要理解指南針是如何工作的，我們需要先了解一下磁場線。磁場線是確定磁場方向的無形軌道。放在磁場中任意位置后，羅盤指針會自動與磁場線平行對齊。在一塊條形磁鐵上放一張紙，上面撒上鐵屑，鐵屑自動排列形成的模式，就是最常見的磁場線的形式。現(xiàn)在，請想象整個地球是一個巨大的條形磁鐵，其磁場線從地球的南極發(fā)出，向外輻射，彎曲成環(huán)，最終匯入北極（見圖0-1）。

在兩極附近，這些磁場線的方向幾乎是垂直傳入或傳出地面的，但是，越接近赤道，這些磁場線就越平而且越接近與地表平行。因此，我們把一種測量磁場線與地球表面夾角的羅盤稱為“磁傾角羅盤”（inclination compass），該羅盤能夠區(qū)分朝向地極與朝向赤道的方向。但這種羅盤并不能區(qū)分南北極，因?yàn)榇艌鼍€在地球的兩個半球都會與地面產(chǎn)生相同的夾角。維爾奇科夫婦在1976年的研究中發(fā)現(xiàn)，知更鳥的磁感知能力正像這種磁傾角羅盤。可問題在于，當(dāng)時沒有人對這種生物磁傾角羅盤的工作原理有任何頭緒。因?yàn)椋谀莻€時候，人們完全無法想象，也沒有已知的原理可以解釋動物如何能在自己體內(nèi)測出磁場線與地面的夾角。答案原來藏在當(dāng)代最令人震驚的科學(xué)領(lǐng)域之中，其原理與量子力學(xué)的奇異理論有扯不斷的關(guān)系。

萬物背后的量子真相

假如今天在科學(xué)家中間進(jìn)行一項(xiàng)民意調(diào)查，問他們什么是整個科學(xué)領(lǐng)域最成功、影響最深遠(yuǎn)、最重要的理論，答案可能會取決于你所問的科學(xué)家是在非生物科學(xué)領(lǐng)域還是生物科學(xué)領(lǐng)域。絕大多數(shù)生物學(xué)家認(rèn)為達(dá)爾文的自然選擇進(jìn)化論是人類有史以來最意義深遠(yuǎn)的理論，而一個物理學(xué)家則更傾向于認(rèn)為量子力學(xué)理論才應(yīng)該占據(jù)科學(xué)中的首要位置，因?yàn)榱孔恿W(xué)構(gòu)筑了大部分現(xiàn)代物理學(xué)與化學(xué)的基石，揭示了宇宙的基本構(gòu)成單位，并向人類展現(xiàn)了一幅非凡的宇宙全景。確實(shí)，如果沒有量子力學(xué)的解釋，我們目前對世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)的大部分看法都不能成立。

幾乎每個人都聽說過“量子力學(xué)”，不過，認(rèn)為“量子力學(xué)是一門艱深而難以理解的科學(xué)，只有極小部分非常聰明的人能夠理解它”的想法一直很普遍。但事實(shí)是，從20世紀(jì)早期開始，量子力學(xué)就已經(jīng)成了我們所有人生活的一部分。量子力學(xué)在20世紀(jì)20年代中期發(fā)展為一種解釋極小世界（現(xiàn)稱微觀世界）的數(shù)學(xué)理論。原子構(gòu)成了我們眼睛所見的一切事物，而量子力學(xué)描述了原子的行為以及構(gòu)成這些原子的更小粒子的性質(zhì)。比如，通過描述電子運(yùn)動所遵循的規(guī)則以及電子在原子內(nèi)部如何安排自己的行為，量子力學(xué)奠定了整個化學(xué)、材料科學(xué)甚至電子學(xué)的基礎(chǔ)。不僅如此，過去半個世紀(jì)中大多數(shù)技術(shù)進(jìn)步都以量子力學(xué)的數(shù)學(xué)規(guī)則為核心。

如果沒有量子力學(xué)對電子如何在材料中穿梭的解釋，我們就無法理解半導(dǎo)體的行為；而半導(dǎo)體又是現(xiàn)代電子學(xué)的基礎(chǔ)，如果沒有對半導(dǎo)體的理解，我們就無法發(fā)明出硅晶體管，以及后來的微芯片及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。這樣的例子不勝枚舉：沒有量子力學(xué)對我們知識的提升，就不會有激光，也就沒有CD、DVD或是藍(lán)光影碟播放器；沒有量子力學(xué)，我們就不會有智能手機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航或是核磁共振成像掃描儀。事實(shí)上，有估計(jì)稱，如果沒有我們對量子世界中力學(xué)原理的理解，發(fā)達(dá)國家超過1/3的國內(nèi)生產(chǎn)總值將無法實(shí)現(xiàn)。

這才僅僅是個開始。在有生之年，我們十有八九會見證一個量子時代到來。那個時候，人類可以從激光驅(qū)動的核聚變中獲得近于無限的電能；分子級別的人造機(jī)器會在工程、生化及醫(yī)藥領(lǐng)域幫助人類完成大量的任務(wù)；量子計(jì)算機(jī)將開始提供人工智能；從前只在科幻作品中出現(xiàn)的遠(yuǎn)距傳物技術(shù)將很有可能成為信息傳遞的常規(guī)方式。發(fā)端于20世紀(jì)的量子革命將在21世紀(jì)持續(xù)加速，以不可想象的方式改變我們的生活。

但是，量子力學(xué)究竟是什么呢？對這個問題的探索將是貫穿本書的線索。對于初次接觸量子力學(xué)的嘗鮮者，此處我們以幾例量子力學(xué)對生活潛移默化的影響為開始，向你展現(xiàn)這些真相如何塑造了我們的生活。

|奇特的波粒二象性|

第一個例子表現(xiàn)的是量子世界中最奇特的特征，也可以說是量子世界的決定性特征：波粒二象性。

我們已經(jīng)熟悉了世界的構(gòu)成，知道自己周圍的所有物體都是由許許多多微小而離散的粒子構(gòu)成的，比如原子、電子、質(zhì)子和中子。你可能也知道，能量（比如聲或光）以波的形式傳播，而非粒子。波會向外擴(kuò)散，而不是像粒子那樣向四周移動；波在空間穿過，會像大海里的波濤一樣，形成波峰和波谷。20世紀(jì)早期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)亞原子粒子可以像波一樣運(yùn)動，而光波具有粒子的性質(zhì)。量子力學(xué)正是在那個時候誕生的。

雖然波粒二象性不是什么你每天都需要考慮的事情，但它構(gòu)成了許多非常重要機(jī)械的基礎(chǔ)，比如電子顯微鏡。電子顯微鏡讓醫(yī)生和科學(xué)家能夠看見、分辨并研究用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡看不見的極微小物體，比如艾滋病毒和普通流感病毒。“電子具有波的性質(zhì)”這一發(fā)現(xiàn)直接催生了電子顯微鏡的發(fā)明。

德國科學(xué)家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)生的波長（指任一波中連續(xù)兩個波峰或波谷之間的距離）比可見光的波長要短得多，因此基于電子成像的顯微鏡會比普通的光學(xué)顯微鏡捕捉到更多的細(xì)節(jié)。這是因?yàn)椋?dāng)波遇到任何微小的物體后，如果這一物體的三維比波的波長要短，那么這個物體將不會影響和改變波的傳播，就像波長幾米的海浪沖擊著沙灘上的鵝卵石一樣。你需要更短的波長，比如那種在學(xué)校的科學(xué)實(shí)驗(yàn)課上常見的水槽里的漣漪，才能在遇到鵝卵石后產(chǎn)生反射和衍射，使我們最終“看見”這個鵝卵石。因此，克諾爾和魯斯卡在1931年制造了世界上第一臺電子顯微鏡，并用它拍下了世界上第一張病毒的照片。恩斯特·魯斯卡因此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。這個獎頒得或許有些遲了，因?yàn)榭酥Z爾在多年前已經(jīng)逝世（1969年），而魯斯卡在得獎兩年后也離開了人世。

|量子遂穿，“穿墻而過”的粒子|

第二個例子將更加重要。你知道太陽為什么會發(fā)光嗎？

大多數(shù)人可能知道太陽本質(zhì)上是一個核聚變反應(yīng)堆，消耗氫來釋放熱量和陽光，而陽光維持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果沒有那讓粒子“穿墻而過”的奇異量子性質(zhì)，太陽根本不會發(fā)光。太陽（或者說宇宙中的所有恒星）之所以能夠放射如此大量的能量，是因?yàn)闅湓拥脑雍耍ㄒ簿褪菐в幸粋€單位正電荷的質(zhì)子）能夠聚變，并以我們稱為陽光的電磁輻射釋放能量。兩個氫原子核要想聚變，就需要靠得非常近，但兩者靠得越近，相互間的排斥力就越大，因?yàn)樗鼈兏鲾y帶一個正電荷，而同種電荷互相排斥。

事實(shí)上，如果要讓兩個質(zhì)子靠近到足以聚變，那么兩個質(zhì)子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的“磚墻”：一個明顯不可穿透的能量壁壘。經(jīng)典物理學(xué)——構(gòu)建在牛頓定律之上，能夠很好地描述日常生活中球體、彈簧、蒸汽引擎，甚至是天體的受力和運(yùn)動——認(rèn)為這樣的穿越不可能發(fā)生。換句話說，因?yàn)榱Ｗ硬豢赡艽Χ^，所以太陽也不應(yīng)該發(fā)光。

但是原子核這一類遵循量子力學(xué)原理的粒子卻暗藏玄機(jī)：它們通過一種被稱為“量子隧穿”（quantum tunneling）的過程，可以輕松地穿透上述的壁壘。從本質(zhì)上講，是它們的波粒二象性使它們能夠完成隧穿。正如海浪可以繞過物體（比如沙灘上的卵石）傳播一樣，波也可以繞過物體傳播（比如聲波可以穿透墻壁，讓你聽到鄰居家的電視聲）。當(dāng)然，作為聲波的介質(zhì)，空氣并沒有真正地穿透墻壁：空氣中的振動，也就是聲音，使你和鄰居共用的墻壁發(fā)生振動，而此振動又推動你房間中的空氣，將相同的聲波傳入你的耳中。但原子核卻不一樣，如果你能像原子核一樣行動，那么有時候，你真的能夠像幽靈一般直接穿過堅(jiān)實(shí)的壁壘。太陽內(nèi)部的氫原子核所做的正是如此：它能讓自己傳播出來，像幽靈一樣穿透能量壁壘，使自己與墻另一邊的伙伴靠得足夠近來完成聚變反應(yīng)。因此，當(dāng)你下一次在沙灘上曬太陽時，不妨看看拍打著沙灘的海浪，想一想量子粒子像幽靈一樣波動，這種波動不僅能夠讓你享受溫暖的陽光，也使得我們星球上所有的生命成為可能。

|疊加態(tài)：華爾茲與爵士共舞|

第三個例子與前面的例子也相關(guān)，但展現(xiàn)了量子世界不同甚至更加奇怪的特征：一種被稱為“疊加態(tài)”（superposition）的現(xiàn)象。

疊加態(tài)現(xiàn)象指粒子可以同時完成兩件、100件甚至100萬件事情。這個性質(zhì)可以解釋我們的宇宙為什么如此復(fù)雜而有趣。在大爆炸之后，宇宙誕生，彼時的空間中充斥著單一的原子，即以最簡單的形式存在的氫原子——由一個帶正電荷的質(zhì)子和一個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成。那是一個相當(dāng)單調(diào)的世界，沒有恒星或是行星，當(dāng)然，也不會有任何生命。因?yàn)椋ㄎ覀冏约涸趦?nèi)，構(gòu)成我們周圍一切事物的“基本單位”，都是比氫原子更為復(fù)雜的物質(zhì)，比如像碳、氧、鐵這樣更重的元素。幸運(yùn)的是，在充滿氫的恒星內(nèi)部，可以利用氫的另一種形態(tài)來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態(tài)叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要?dú)w功于量子的魔法。

如前所述，合成的第一步是兩個氫原子核，也就是質(zhì)子，通過量子隧穿效應(yīng)靠得足夠近時，釋放一些能量。正是這些能量變成的陽光溫暖著我們的星球。第二步，兩個質(zhì)子必須結(jié)合在一起，這個過程并不容易，因?yàn)閮蓚€質(zhì)子間的作用并不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實(shí)由兩種粒子構(gòu)成：質(zhì)子和電中性的中子。如果原子核中某一種粒子太多，量子力學(xué)的原理就認(rèn)為原子核內(nèi)的平衡會重新調(diào)整，部分多余的粒子會轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N粒子：質(zhì)子變成中子或是中子變成質(zhì)子。這種轉(zhuǎn)變的過程被稱為β衰變（beta-decay）。兩個質(zhì)子結(jié)合時所發(fā)生的事情正是如此：兩個質(zhì)子不能共存，其中之一會β衰變?yōu)橹凶印ＪＳ嗟馁|(zhì)子與新生成的中子會結(jié)合形成一種新的物質(zhì)氘核（氫的同位素氘的原子核），之后，氘核會進(jìn)一步發(fā)生核反應(yīng)，合成更加復(fù)雜的、重于氫的原子核，從氦（兩個質(zhì)子加一個或兩個中子）到碳、氮、氧，以此類推。

此處的重點(diǎn)在于，氘核的存在歸功于其能同時以兩種狀態(tài)出現(xiàn)的能力，而這種能力恰是量子疊加態(tài)的體現(xiàn)。這是因?yàn)椋捎谧孕绞降牟煌|(zhì)子和中子能以兩種不同的方式結(jié)合。我們隨后將詳細(xì)考察“量子自旋”（quantum spin）的概念與我們所熟悉的宏觀物體（如網(wǎng)球）的旋轉(zhuǎn)究竟有何不同，而現(xiàn)在，我們將暫時跟隨自己對自旋粒子的直覺，把氘核內(nèi)質(zhì)子和中子的共同旋轉(zhuǎn)，想象成一場精心編排的“舞蹈”，而這舞蹈結(jié)合了“緩慢親密的華爾茲”與“節(jié)奏稍快的爵士”兩種特點(diǎn)。早在20世紀(jì)30年代晚期，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，氘核內(nèi)部的這兩種粒子并不是以這一種或那一種形式在共舞，而是同時以兩種狀態(tài)在舞蹈——它們同時跳著“華爾茲”和“爵士”——而正是這種舞蹈形式，將它們緊密結(jié)合在了一起。

看了上文，你可能不禁要問：“你們是怎么知道的？”是的，原子核太小了，遠(yuǎn)非肉眼所能看見，那么，為了更合情理，我們是不是該假設(shè)自己對“核力”的理解還不夠完善呢？答案是否定的。上文的結(jié)論已經(jīng)在多個實(shí)驗(yàn)室被反復(fù)證明：如果質(zhì)子和中子以“量子華爾茲”或“量子爵士”的任意一種形式結(jié)合，兩者間的核“黏合力”都不足以強(qiáng)到使兩者結(jié)合在一起；只有兩者互相疊加時，也就是兩種狀態(tài)同時存在時，黏合力才足夠強(qiáng)。我們可以將這兩種狀態(tài)的疊加想象為兩種顏料的混合（如藍(lán)色和黃色，混合后會形成一種新的顏色——綠色），雖然你知道綠色是由最初的兩種顏色混合而成的，但它既不是藍(lán)色也不是黃色。不同比例的藍(lán)色和黃色混合，也能創(chuàng)造出不同色調(diào)的綠色。同樣地，質(zhì)子和中子能夠結(jié)合為氘核，是因?yàn)樗鼈兊奈璧复蟛糠质恰叭A爾茲”，但同時也混合著一小部分“爵士”。

因此，如果粒子們不能同時共舞“華爾茲”和“爵士”，那么我們的宇宙到現(xiàn)在還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發(fā)光的恒星，沒有其他元素，你也不會在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因?yàn)橘|(zhì)子和中子以反直覺的量子方式存在著。

|核磁共振的秘密|

我們的最后一個例子要把大家?guī)Щ氐郊夹g(shù)世界中。量子世界的性質(zhì)不僅可以用來觀察像病毒一樣微小的事物，也可以用來觀察我們的身體內(nèi)部。核磁共振成像是一種醫(yī)療掃描技術(shù)，能夠造出細(xì)節(jié)極其豐富的軟組織圖像。核磁共振成像通常被用來診斷疾病，特別是探測內(nèi)部器官上的腫瘤。大多數(shù)介紹核磁共振成像掃描儀的通俗說明都沒有提到，其實(shí)此項(xiàng)技術(shù)依賴于量子世界奇特的運(yùn)轉(zhuǎn)原理。核磁共振成像掃描儀使用磁力強(qiáng)勁的大型磁鐵將病人體內(nèi)氫原子核的自旋軸排列整齊。之后，這些原子被放射波脈沖刺激，迫使排列整齊的原子核以奇特的量子狀態(tài)存在，同時向兩個方向自旋。試著將這個過程視覺化對理解它并沒有什么作用，因?yàn)槟壳八x我們的日常生活還很遙遠(yuǎn)。重點(diǎn)在于當(dāng)這些原子核重新回到最初的狀態(tài)（即它們還未接受能量脈沖的刺激而進(jìn)入量子疊加態(tài)）時，它們會把之前接受的能量釋放出來。核磁共振成像掃描儀上的電子儀器將收集這些能量，并以此為患者體內(nèi)的器官造影，生成細(xì)節(jié)豐富的圖像。

因此，如果你有機(jī)會躺在一臺核磁共振成像掃描儀里，或許還一邊聽著耳機(jī)里的音樂，不妨花一小會兒時間想想亞原子粒子反直覺的量子行為，因?yàn)檎沁@種行為讓核磁共振成像技術(shù)成為可能。

知更鳥是如何感知方向的

上面所有這些量子世界的奇異現(xiàn)象與知更鳥依靠自身導(dǎo)航跨越半球的航行有什么關(guān)系呢？對了，你應(yīng)該還記得維爾奇科夫婦在20世紀(jì)70年代早期的研究：知更鳥的地磁覺與磁傾角羅盤的工作原理相同。這讓人極其迷惑，因?yàn)槟莻€時候，沒有任何人對生物磁傾角羅盤的工作原理有頭緒。

然而，大約在同一時期，一位叫克勞斯·舒爾滕（Klaus Schulten）的德國科學(xué)家對自由基（free radical）相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移方式產(chǎn)生了興趣。他發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電子在原子軌道中成對出現(xiàn)，而分子的外層軌道卻有孤電子存在。聯(lián)系到奇怪的量子自旋性質(zhì)，這個發(fā)現(xiàn)就顯得重要起來。因?yàn)椋鋵Φ碾娮酉蛳喾吹姆较蜃孕鼈兊暮献孕簿偷窒麨榱恪５牵绻麤]有配對電子可以抵消自旋，自由基中的孤電子就會產(chǎn)生凈自旋，并擁有磁性：在磁場中就可以統(tǒng)一排列它們的自旋。

舒爾滕提出，在高速三重態(tài)反應(yīng)（fast triplet reaction）中會產(chǎn)生成對的自由基，而自由基中對應(yīng)的成對孤電子會處于“量子糾纏”（quantum entanglement）的狀態(tài)。由于某些難以理解的原因（后文會介紹），被分開的兩個電子處于微妙的量子狀態(tài)，對任何外部的磁場方向極度敏感。舒爾滕進(jìn)一步認(rèn)為，謎一般的鳥類羅盤可能使用了量子糾纏的機(jī)理。

行文至此，我們還未事先解釋量子糾纏，這是因?yàn)檫@可能是量子力學(xué)中最奇異的性質(zhì)了。量子糾纏是指，曾經(jīng)在一起的粒子，無論分開多么遙遠(yuǎn)的距離，都能保持瞬時的、近乎魔法般的聯(lián)系。比如，曾經(jīng)相距很近的兩個粒子被分開很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，就算分到宇宙的兩邊，至少在理論上講，它們?nèi)匀荒軌蛳嗷ヂ?lián)系。實(shí)際上，刺激一個粒子，會讓它遠(yuǎn)在天邊的伙伴同時躍起。

據(jù)量子力學(xué)先驅(qū)們的展示，量子糾纏能很好地符合他們列出的方程式，但由于其造成的影響太不可思議了，以至于偉大如提出黑洞和時空彎曲的愛因斯坦，也拒絕接受它，嘲笑量子糾纏不過是“遠(yuǎn)距離的幽靈作用”。這種“遠(yuǎn)距離的幽靈作用”也確實(shí)激起了“量子神秘主義者們”的興趣，讓他們做出了關(guān)于量子糾纏的夸大陳述，比如，認(rèn)為量子糾纏可以解釋諸如心靈感應(yīng)等超自然現(xiàn)象。

愛因斯坦持懷疑態(tài)度，是因?yàn)榱孔蛹m纏違背了他的相對論，而相對論認(rèn)為沒有任何影響和信號能在空間中以比光更快的速度傳播。按照愛因斯坦的理論，相距遙遠(yuǎn)的粒子不應(yīng)該擁有幽靈般的同步聯(lián)結(jié)。但就此事而言，愛因斯坦錯了：現(xiàn)在，我們已經(jīng)通過實(shí)證發(fā)現(xiàn)，量子粒子確實(shí)有遠(yuǎn)距離的瞬時聯(lián)系。但即便這樣，為了防止你胡思亂想，必須要澄清一下，量子糾纏并不能被用來證實(shí)心靈感應(yīng)的存在。

在20世紀(jì)70年代早期，如果有誰認(rèn)為量子糾纏這種奇特性質(zhì)參與了普通化學(xué)反應(yīng)，人們就會覺得他在異想天開。在那時，許多科學(xué)家支持愛因斯坦，他們懷疑處于糾纏態(tài)的粒子是否真的存在，畢竟還從未有人發(fā)現(xiàn)過這樣的粒子。但在那之后的幾十年間，許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這種幽靈般的聯(lián)結(jié)，其中最著名的要數(shù)早在1982年由阿蘭·阿斯拜克特（Alain Aspect）領(lǐng)導(dǎo)的一組法國科學(xué)家在南巴黎大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

阿斯拜克特的團(tuán)隊(duì)讓成對的光子（光的粒子）處在了糾纏偏振狀態(tài)。偏光太陽鏡可能讓我們對偏振光已經(jīng)很熟悉了。每一個光子都有其方向性和偏振的角度，與我們之前介紹的自旋性質(zhì)很相似。陽光中的光子包含所有的偏振方向，而偏振太陽鏡會過濾掉這些光子，只允許某個特定偏振角度的光子通過。阿斯拜克特生成了成對的光子，不僅偏振方向不同（比如一個向上一個向下），而且互相糾纏。正如之前那個舞伴的比喻，這兩個光子中的任意一個，并不是真的朝此或是彼方向偏振，而是同時既向此又向彼方向偏振，接下來就要測量它們了。

測量是量子力學(xué)中最不可思議也是最有爭議的地方。它與一個你一定已經(jīng)想到的問題有關(guān)：為什么我們看到的所有物體不會像量子粒子一樣完成這些怪異而又神奇的事情呢？答案是，在微觀的量子世界中，粒子們之所以能夠表現(xiàn)得如此奇特（比如同時做兩件事、能穿墻而過、擁有幽靈般的聯(lián)結(jié)），是因?yàn)闆]有人在看。一旦用某些方法去觀察或是測量它們，它們就會失去這些特異性，表現(xiàn)得像我們周圍隨處可見的那些經(jīng)典的普通物體一樣了。

當(dāng)然，這只會帶來另一個問題：測量究竟有什么特別之處，能讓量子粒子從量子行為變成了符合經(jīng)典物理學(xué)的行為？這個問題的答案對本書的故事很重要，因?yàn)闇y量正處于量子世界與經(jīng)典世界的邊界上，可能你從本書的英文書名中也猜到了一二，生命也處在這個地方，即處于量子的邊緣。

對量子測量的探索將會貫穿全書，而我們也希望你能逐漸掌握探索過程中難以理解的微妙之處。現(xiàn)在，我們將僅僅考慮對此現(xiàn)象最簡單的理解，姑且認(rèn)為用科學(xué)的工具測量一個量子性質(zhì)，使得被測量的目標(biāo)瞬間失去了自己的各種量子能力，而展現(xiàn)出一種傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)性質(zhì)，比如測量光的偏振狀態(tài)時，光子失去同時指向各個方向的能力，而僅僅指向單一的方向。因此，當(dāng)阿斯拜克特用觀察光是否可以穿過特定的偏光鏡的方法測量任意一對互相糾纏的光子其中之一的偏振態(tài)時，該光子瞬間失去了和它同伴之間幽靈般的聯(lián)系，并采取了單一的偏振方向。而無論這對光子離得多遠(yuǎn)，它的同伴也會瞬間變得和它一樣。至少，量子力學(xué)的方程式是這樣預(yù)測的，也正是這一點(diǎn)讓愛因斯坦心神不寧。

自1982年起，這個實(shí)驗(yàn)被重復(fù)多次，更有甚者，將成對的兩個光子分開數(shù)百公里之遠(yuǎn)，而分開的光子總能表現(xiàn)出這種讓愛因斯坦無法接受的幽靈般的糾纏聯(lián)系。

在舒爾滕提出鳥類羅盤使用了量子糾纏的機(jī)理之后很多年，阿斯拜克特才做了這個實(shí)驗(yàn)，而在舒爾滕的時代，量子糾纏現(xiàn)象還頗具爭議。而且，舒爾滕并不知道如此模糊的化學(xué)反應(yīng)如何能讓知更鳥“看見”地球的磁場。此處，我們說“看見”是因?yàn)榫S爾奇科夫婦的另一大發(fā)現(xiàn)。雖然知更鳥在夜間遷徙，但是要激活其體內(nèi)的磁性羅盤需要少量的光（大約在可見光譜中偏藍(lán)的一端），這就暗示著知更鳥的眼睛在其體內(nèi)羅盤的運(yùn)轉(zhuǎn)中扮演著重要的角色。但是，除了視覺之外，知更鳥的眼睛又是如何向其提供磁感覺的呢？不管是否掌握舒爾滕的自由基配對原理，這都是一個十足的謎題。

“鳥類羅盤中用到了量子力學(xué)的理論”這一認(rèn)識在科學(xué)的角落中擱置了20余年。舒爾滕后來去了美國，在伊利諾伊大學(xué)香檳分校建立起了非常成功的理論化學(xué)物理小組。但他從來沒有忘記他那稀奇古怪的理論，并持續(xù)地撰寫修改了一篇相關(guān)的論文，該文列舉出一些可能的生物分子（活細(xì)胞中產(chǎn)生的分子），而這些生物分子可能會產(chǎn)生完成高速三重態(tài)反應(yīng)必不可少的自由基。但是沒有一種生物分子能夠滿足條件：它們不是不能產(chǎn)生自由基對，就是在知更鳥的眼睛里不存在。直到1998年，舒爾滕在一篇論文中了解到，在動物的眼中發(fā)現(xiàn)了一種神秘的光感受器，叫作隱花色素（cryptochrome）。這立刻激起了他的科研直覺，因?yàn)殡[花色素是一種已知的可能會產(chǎn)生自由基對的蛋白質(zhì)。

一位名叫索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）的博士生后來加入舒爾滕的小組，里茨頗具天賦。在法蘭克福大學(xué)讀本科時，里茨聽過舒爾滕關(guān)于鳥類羅盤的演講，并對此著了迷。當(dāng)出現(xiàn)機(jī)會時，他就跳槽到舒爾滕的實(shí)驗(yàn)室讀博士，最初的研究課題是光合作用。當(dāng)知道了隱花色素的事情后，他又轉(zhuǎn)去研究磁感應(yīng)。2000年，里茨與舒爾滕合著了題為《鳥類基于光感受器的磁感應(yīng)模型》的論文，描述了隱花色素如何能在鳥的眼睛中創(chuàng)造一個量子羅盤（在第5章中，我們還要更加詳細(xì)地討論這個問題）。

四年后，里茨與維爾奇科夫婦組成小組，共同進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于知更鳥的研究，為“鳥類利用量子糾纏來進(jìn)行環(huán)球?qū)Ш健钡睦碚撎峁┝说谝环輰?shí)驗(yàn)證據(jù)。這一切似乎證明，舒爾滕一直是對的。他們2004年的論文，在《自然》上一經(jīng)發(fā)表就引起了廣泛的關(guān)注，鳥類的量子羅盤也立刻成為量子生物學(xué)——這門新興科學(xué)的典型代表。

形形色色的量子現(xiàn)象

之前我們描述過量子隧穿和量子疊加態(tài)，它們都既存在于太陽的核心，也存在于電子設(shè)備中，比如電子顯微鏡和核磁共振成像掃描儀之中。那么，量子現(xiàn)象出現(xiàn)在生物學(xué)中又有什么值得我們大驚小怪的呢？

生物學(xué)，其實(shí)只是一種應(yīng)用化學(xué)，而化學(xué)又是一種應(yīng)用物理學(xué)。因此，當(dāng)你非要刨根問底時，所有的事物，包括我們和其他生物，都是物理學(xué)而已！這正是許多科學(xué)家所支持的論點(diǎn)，他們認(rèn)為量子力學(xué)必須深層次地參與到生物學(xué)中，但他們同時也認(rèn)為量子力學(xué)在生物學(xué)中的角色是無足輕重的。這些科學(xué)家想表達(dá)的觀點(diǎn)是：因?yàn)榱孔恿W(xué)的規(guī)則描述了原子的行為，而生物學(xué)毫無疑問地包含了分子間的相互作用，那么量子力學(xué)的規(guī)則在生物學(xué)最微觀的層面一定也適用——不過也僅僅在這些最微觀的層面適用，而在對生命至關(guān)重要的一些宏觀過程中，量子力學(xué)只有很少的作用或是根本就沒有作用。

這些科學(xué)家的觀點(diǎn)至少是部分正確的。諸如像DNA或是酶之類的生物分子是由像質(zhì)子和電子這樣的基本粒子組成的，而這些粒子的相互作用受限于量子力學(xué)。不過，話說回來，你正在讀的這本書或是你正在坐的椅子其實(shí)也是一樣的。你走路、說話、進(jìn)食、睡覺，甚至思考的方式，無一不取決于量子世界中的力對電子、質(zhì)子及其他粒子的控制，正如你的汽車和烤面包機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)也極大地依賴于量子力學(xué)一樣。

但是，總的來說，你并不需要知道這些。車輛機(jī)械工人并不要求在大學(xué)時修量子力學(xué)的學(xué)分，大多數(shù)生物學(xué)專業(yè)的課程也鮮有提及量子隧穿、量子糾纏或是量子疊加態(tài)。即使我們不知道這個世界的運(yùn)轉(zhuǎn)，除了基于我們熟悉的規(guī)則外，其實(shí)從根本上還依靠著一套我們完全不熟悉的法則，我們中的大多數(shù)人也照樣活得好好的。發(fā)生在極微觀層面的奇異量子現(xiàn)象，對大一點(diǎn)的東西來說，比如我們每天見到和使用的汽車或烤面包機(jī)，通常并不能產(chǎn)生什么影響。

為什么不能呢？足球不能穿墻而過，人與人之間并沒有幽靈般的聯(lián)結(jié)（除了偽稱的心靈感應(yīng)），你會沮喪地發(fā)現(xiàn)，自己不能同時既在辦公室又在家里。但是，構(gòu)成足球或是人體的基本粒子卻能做到所有這些事情。為什么會有這樣一條斷層線？邊界的一邊是我們眼見為實(shí)的世界，而其表面之下，在邊界的另一邊，是物理學(xué)家們確認(rèn)存在的另一個不同的世界。這是整個物理學(xué)中最深奧的問題，與我們之前提到過的量子測量現(xiàn)象有關(guān)。

當(dāng)量子系統(tǒng)與諸如阿蘭·阿斯拜克特實(shí)驗(yàn)中的偏光鏡等經(jīng)典物理學(xué)的測量工具相互作用時，量子系統(tǒng)立刻失去了其量子特異性，表現(xiàn)得像經(jīng)典物理學(xué)的物體一樣。但是，我們周圍的世界是我們看到的這個樣子，并不能完全歸咎于物理學(xué)家們采用的測量方法。那是什么力量在物理實(shí)驗(yàn)室之外使量子行為消失了呢？

答案與粒子的排列方式及其在大型（宏觀）物體中的運(yùn)動方式有關(guān)。原子與分子傾向于在非生命固體內(nèi)隨機(jī)地散布及無規(guī)則地振動；在液體與氣體中，由于熱的關(guān)系，它們也會持續(xù)地隨機(jī)運(yùn)動。這些隨機(jī)的因素——散布、振動與運(yùn)動——導(dǎo)致粒子波浪式的量子性質(zhì)迅速消失。因此，其實(shí)是一個物體的所有量子成分的整體行為，共同完成了對所有成分的“量子測量”，也因此讓我們周圍的世界看起來變得正常。

為了觀察到量子的特異性，你要么必須去一些不同尋常的地方（比如太陽的內(nèi)層），要么凝視深層的微觀世界（借助類似電子顯微鏡的工具），要么仔細(xì)地把量子粒子排成一行，以便它們能夠步調(diào)一致地前進(jìn)（正如當(dāng)你躺在核磁共振成像掃描儀中時，你體內(nèi)的氫原子核會按照相同的方式自旋——當(dāng)關(guān)掉電磁鐵后，原子核的自旋方向重新變得隨機(jī)，量子一致性會再一次被抵消掉）。同理，分子隨機(jī)化可以解釋為什么大多數(shù)時候沒有量子力學(xué)我們也可以照樣過日子：我們周圍所有能看見的非生命物體，其量子特異性由于構(gòu)成它們的分子持續(xù)地向各個方向隨機(jī)運(yùn)動，而被抵消掉了。

注意是“大多數(shù)時候”而不是“總是”。正如舒爾滕所發(fā)現(xiàn)的那樣，只有用到糾纏態(tài)這一精妙的量子理論時，才能解釋高速三重態(tài)反應(yīng)的反應(yīng)速度。但高速三重態(tài)反應(yīng)不過只是“快”而已，而且僅僅涉及兩三個分子。要想解釋鳥類的導(dǎo)航能力，量子糾纏必須對整只知更鳥施加持續(xù)的影響。因此，宣稱鳥類磁性羅盤是量子糾纏的，與宣稱量子糾纏在一個只涉及幾個分子的特殊化學(xué)反應(yīng)中起到了作用是兩個完全不同級別的命題。因此，這個主張受到了相當(dāng)數(shù)量的懷疑也就不足為奇了。

通常認(rèn)為，活細(xì)胞主要是由水和生物分子組成的，并處于一種恒定的分子攪動狀態(tài)中，而這種分子攪動會立刻測量并分散奇特的量子效應(yīng)。此處的“測量”并不是讓水分子或生物分子真的去完成測量（就像我們測量物體的重量或是溫度），然后把數(shù)值永久地記錄在紙上、電腦的硬盤上，甚至僅僅是記在我們的大腦里。此處我們所討論的“測量”是當(dāng)一個水分子撞擊在處于量子糾纏態(tài)中的一對粒子的其中之一上時所發(fā)生的事情：水分子隨后的運(yùn)動會受到該粒子先前狀態(tài)的影響，因此，如果去研究水分子撞擊后的運(yùn)動，將能推理出與其相撞的粒子的一些性質(zhì)。

從這個意義上來講，水分子完成了一次“測量”，因?yàn)椴还苁欠裼腥巳z驗(yàn)，水分子的運(yùn)動提供了一份關(guān)于被撞擊的糾纏粒子對的記錄。這種偶然的“測量”通常足以破壞糾纏態(tài)。因此，許多科學(xué)家認(rèn)為，宣稱精細(xì)的量子糾纏態(tài)能夠在溫?zé)岫鴱?fù)雜的活細(xì)胞內(nèi)部保存下來，是一種不切實(shí)際的想法，近于瘋癲。

但是，近幾年來，我們關(guān)于這類事物的知識取得了巨大的進(jìn)步——不僅僅是與鳥類相關(guān)。在許多生物現(xiàn)象中的確發(fā)現(xiàn)了諸如疊加態(tài)和隧穿之類的量子現(xiàn)象，從植物如何獲得陽光到我們的細(xì)胞如何制造生物分子都涉及該內(nèi)容。甚至連我們的嗅覺或是我們從父母那里繼承來的基因可能都要依賴奇異的量子世界。研究量子生物學(xué)的論文現(xiàn)在經(jīng)常出現(xiàn)在世界上最權(quán)威的科學(xué)期刊上。盡管現(xiàn)在只有一小部分科學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)在生命現(xiàn)象中扮演的角色不是無足輕重的，而是至關(guān)重要的，但這個數(shù)量正在增長。而生命，在一個特殊的位置——量子世界與經(jīng)典世界的邊緣上，維持著奇異的量子特性。

我們于2012年9月在英國薩里大學(xué)舉辦了量子生物學(xué)國際研討會，該領(lǐng)域中的絕大多數(shù)科學(xué)家都出席了這次會議（見圖0-2），而我們竟然成功地把大家全安排進(jìn)了一個小型階梯教室里，那時，我們清楚地發(fā)現(xiàn)，研究量子生物學(xué)的科學(xué)家在數(shù)量上真的很少。但是，那種發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)在日常生物現(xiàn)象中所起作用的興奮，正在驅(qū)動著這個領(lǐng)域快速發(fā)展。為什么溫?zé)帷駶櫋⒒靵y的生命體內(nèi)能有量子特異性存在？這個謎題的答案已逐漸浮出水面，而對這個問題的研究可能對新量子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，量子生物學(xué)是目前最令人激動的研究領(lǐng)域。

不過，要想真正感受這些發(fā)現(xiàn)的重要性，我們必須先提一個貌似簡單的問題——生命是什么。

自左至右為，吉姆·艾爾-哈利利（Jim Al-Khalili）、約翰喬·麥克法登（Johnjoe McFadden）、弗拉特科·韋德拉（Vlatko Vedral）、格雷格·恩格爾（Greg Engel）、奈杰爾·斯克魯頓（Nigel Scrutton）、索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）、保羅·戴維斯（Paul Davies）、珍妮弗·布魯克斯（Jennifer Brookes）、格雷格·斯科爾斯（Greg Scholes）。

圖0-2　2012年英國薩里大學(xué)量子生物學(xué)國際研討會的出席者