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千公里后，每三年會回到那個它們當初出生的撒滿蛋殼的沙灘上去產卵繁殖。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。

幾個世紀以來，這些動物如何在環球遷徙中找到自己的方向一直是一個謎?，F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航；有些動物會記憶地標；有些動物甚至能聞到它們在這個星球上該走的路。但導航能力最不可思議的要數知更鳥：它們能感知到地球磁場的方向與強度。這種能力被稱為磁感應（magnetoreception）。雖然現在我們知道有一些其他生物也擁有這項能力，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、朝哪個方向飛的機理，其實已經編碼在它們從父母那里繼承來的基因之中了。這是一種復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，并能依靠內在的導航直覺，從地磁場中得出方向性的信息。就知更鳥而言，它的導航直覺需要一種新式的化學羅盤作為指引。

磁感應真是個謎題。問題的關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，這一數值雖然足以使一個處于微妙平衡中且幾乎沒有阻力的羅盤指針偏轉，但它只有一個普通冰箱貼磁力的1%。這就出現了使人困惑的謎題：動物要想感知到地磁場，其體內某處的一個化學反應必然在某種程度上要受到地磁場的影響——這是包括我們在內的所有生物感知外界信號的方式。但是，地磁場與活體細胞內的分子相互作用所產生的能量還不及使一個化學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，因為這些謎題的答案可能將我們對世界的認識引向一種根本性轉變的新方向。比如，16世紀時，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系問題，這最終讓他發現我們人類并不是整個宇宙的中心。達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化論。德國物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）關心物體熱輻射的問題，他開始追尋黑體輻射之謎的解答，因此發現能量以名為“量子”（quantum）的離散團塊傳遞，并最終在1900年引導了量子理論的誕生。那么，對于“鳥兒們如何在跨越半球的遷徙中找到方向”的解答是否也能掀起一場生物學革命呢？雖然有點出人意料，但答案是肯定的。

但是，像這樣的謎題，也會讓偽科學家與神秘主義者們魂牽夢繞。正如牛津大學的化學家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）在1976年所說：“磁場對化學反應的影響——這一研究一直是冒充內行的騙子們嬉鬧的領域。”事實也的確如此，各種古怪的解釋都在某種程度上被當作候鳥遷徙時確定路線的機理。比如，心靈感應、古老的“靈線”（ley lines，連接不同考古或地理標志性地點的隱形線路，被認為擁有精神能量）、由“超心理學家”魯珀特·謝爾德雷克（Rupert Sheldrake）發明的飽受爭議的“形態共振”（morphic resonance）理論，不一而足。因此，阿特金斯在20世紀70年代的看法也就變得可以理解，那反映了當時在大多數科學家中流行的對“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度。似乎沒有任何分子機理能夠允許動物擁有感應磁場的能力，至少在傳統的生物化學領域，這樣的機理并不存在。

但就在彼得·阿特金斯表達了他的懷疑論的同一年，一對住在法蘭克福的德國鳥類學家伉儷沃爾夫岡·維爾奇科與羅斯維塔·維爾奇科（Wolfgang and Roswitha Wiltschko）在世界最頂尖的學術雜志《科學》上發表了一篇突破性的論文，毋庸置疑地說明知更鳥確實能夠感知到地球磁場。更令人驚奇的是，他們發現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。因為，指南針能夠測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?，F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出，向外輻射，彎曲成環，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），該羅盤能夠區分朝向地極與朝向赤道的方向。但這種羅盤并不能區分南北極，因為磁場線在地球的兩個半球都會與地面產生相同的夾角。維爾奇科夫婦在1976年的研究中發現，知更鳥的磁感知能力正像這種磁傾角羅盤?？蓡栴}在于，當時沒有人對這種生物磁傾角羅盤的工作原理有任何頭緒。因為，在那個時候，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測出磁場線與地面的夾角。答案原來藏在當代最令人震驚的科學領域之中，其原理與量子力學的奇異理論有扯不斷的關系。

萬物背后的量子真相

假如今天在科學家中間進行一項民意調查，問他們什么是整個科學領域最成功、影響最深遠、最重要的理論，答案可能會取決于你所問的科學家是在非生物科學領域還是生物科學領域。絕大多數生物學家認為達爾文的自然選擇進化論是人類有史以來最意義深遠的理論，而一個物理學家則更傾向于認為量子力學理論才應該占據科學中的首要位置，因為量子力學構筑了大部分現代物理學與化學的基石，揭示了宇宙的基本構成單位，并向人類展現了一幅非凡的宇宙全景。確實，如果沒有量子力學的解釋，我們目前對世界如何運轉的大部分看法都不能成立。

幾乎每個人都聽說過“量子力學”，不過，認為“量子力學是一門艱深而難以理解的科學，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。但事實是，從20世紀早期開始，量子力學就已經成了我們所有人生活的一部分。量子力學在20世紀20年代中期發展為一種解釋極小世界（現稱微觀世界）的數學理論。原子構成了我們眼睛所見的一切事物，而量子力學描述了原子的行為以及構成這些原子的更小粒子的性質。比如，通過描述電子運動所遵循的規則以及電子在原子內部如何安排自己的行為，量子力學奠定了整個化學、材料科學甚至電子學的基礎。不僅如此，過去半個世紀中大多數技術進步都以量子力學的數學規則為核心。

如果沒有量子力學對電子如何在材料中穿梭的解釋，我們就無法理解半導體的行為；而半導體又是現代電子學的基礎，如果沒有對半導體的理解，我們就無法發明出硅晶體管，以及后來的微芯片及現代計算機。這樣的例子不勝枚舉：沒有量子力學對我們知識的提升，就不會有激光，也就沒有CD、DVD或是藍光影碟播放器；沒有量子力學，我們就不會有智能手機、衛星導航或是核磁共振成像掃描儀。事實上，有估計稱，如果沒有我們對量子世界中力學原理的理解，發達國家超過1/3的國內生產總值將無法實現。

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，人類可以從激光驅動的核聚變中獲得近于無限的電能；分子級別的人造機器會在工程、生化及醫藥領域幫助人類完成大量的任務；量子計算機將開始提供人工智能；從前只在科幻作品中出現的遠距傳物技術將很有可能成為信息傳遞的常規方式。發端于20世紀的量子革命將在21世紀持續加速，以不可想象的方式改變我們的生活。

但是，量子力學究竟是什么呢？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的嘗鮮者，此處我們以幾例量子力學對生活潛移默化的影響為開始，向你展現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。

我們已經熟悉了世界的構成，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成的，比如原子、電子、質子和中子。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世紀早期，科學家發現亞原子粒子可以像波一樣運動，而光波具有粒子的性質。量子力學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，但它構成了許多非常重要機械的基礎，比如電子顯微鏡。電子顯微鏡讓醫生和科學家能夠看見、分辨并研究用傳統光學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”這一發現直接催生了電子顯微鏡的發明。

德國科學家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發現，因為電子產生的波長（指任一波中連續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顯微鏡捕捉到更多的細節。這是因為，當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，比如那種在學校的科學實驗課上常見的水槽里的漣漪，才能在遇到鵝卵石后產生反射和衍射，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年的諾貝爾物理學獎。這個獎頒得或許有些遲了，因為克諾爾在多年前已經逝世（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光嗎？

大多數人可能知道太陽本質上是一個核聚變反應堆，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，太陽根本不會發光。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，是因為氫原子的原子核（也就是帶有一個單位正電荷的質子）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，因為它們各攜帶一個正電荷，而同種電荷互相排斥。

事實上，如果要讓兩個質子靠近到足以聚變，那么兩個質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。經典物理學——構建在牛頓定律之上，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動——認為這樣的穿越不可能發生。換句話說，因為粒子不可能穿墻而過，所以太陽也不應該發光。

但是原子核這一類遵循量子力學原理的粒子卻暗藏玄機：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）。當然，作為聲波的介質，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實的壁壘。太陽內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。因此，當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：華爾茲與爵士共舞|

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

疊加態現象指粒子可以同時完成兩件、100件甚至100萬件事情。這個性質可以解釋我們的宇宙為什么如此復雜而有趣。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子和一個帶負電荷的電子構成。那是一個相當單調的世界，沒有恒星或是行星，當然，也不會有任何生命。因為，包括我們自己在內，構成我們周圍一切事物的“基本單位”，都是比氫原子更為復雜的物質，比如像碳、氧、鐵這樣更重的元素。幸運的是，在充滿氫的恒星內部，可以利用氫的另一種形態來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要歸功于量子的魔法。

如前所述，合成的第一步是兩個氫原子核，也就是質子，通過量子隧穿效應靠得足夠近時，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，兩個質子必須結合在一起，這個過程并不容易，因為兩個質子間的作用并不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實由兩種粒子構成：質子和電中性的中子。如果原子核中某一種粒子太多，量子力學的原理就認為原子核內的平衡會重新調整，部分多余的粒子會轉變為另一種粒子：質子變成中子或是中子變成質子。這種轉變的過程被稱為β衰變（beta-decay）。兩個質子結合時所發生的事情正是如此：兩個質子不能共存，其中之一會β衰變為中子。剩余的質子與新生成的中子會結合形成一種新的物質氘核（氫的同位素氘的原子核），之后，氘核會進一步發生核反應，合成更加復雜的、重于氫的原子核，從氦（兩個質子加一個或兩個中子）到碳、氮、氧，以此類推。

此處的重點在于，氘核的存在歸功于其能同時以兩種狀態出現的能力，而這種能力恰是量子疊加態的體現。這是因為，由于自旋方式的不同，質子和中子能以兩種不同的方式結合。我們隨后將詳細考察“量子自旋”（quantum spin）的概念與我們所熟悉的宏觀物體（如網球）的旋轉究竟有何不同，而現在，我們將暫時跟隨自己對自旋粒子的直覺，把氘核內質子和中子的共同旋轉，想象成一場精心編排的“舞蹈”，而這舞蹈結合了“緩慢親密的華爾茲”與“節奏稍快的爵士”兩種特點。早在20世紀30年代晚期，科學家就發現，氘核內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，遠非肉眼所能看見，那么，為了更合情理，我們是不是該假設自己對“核力”的理解還不夠完善呢？答案是否定的。上文的結論已經在多個實驗室被反復證明：如果質子和中子以“量子華爾茲”或“量子爵士”的任意一種形式結合，兩者間的核“黏合力”都不足以強到使兩者結合在一起；只有兩者互相疊加時，也就是兩種狀態同時存在時，黏合力才足夠強。我們可以將這兩種狀態的疊加想象為兩種顏料的混合（如藍色和黃色，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，但它既不是藍色也不是黃色。不同比例的藍色和黃色混合，也能創造出不同色調的綠色。同樣地，質子和中子能夠結合為氘核，是因為它們的舞蹈大部分是“華爾茲”，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在還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發光的恒星，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，是因為質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帶回到技術世界中。量子世界的性質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部。核磁共振成像是一種醫療掃描技術，能夠造出細節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，特別是探測內部器官上的腫瘤。大多數介紹核磁共振成像掃描儀的通俗說明都沒有提到，其實此項技術依賴于量子世界奇特的運轉原理。核磁共振成像掃描儀使用磁力強勁的大型磁鐵將病人體內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，因為目前它離我們的日常生活還很遙遠。重點在于當這些原子核重新回到最初的狀態（即它們還未接受能量脈沖的刺激而進入量子疊加態）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，并以此為患者體內的器官造影，生成細節豐富的圖像。

因此，如果你有機會躺在一臺核磁共振成像掃描儀里，或許還一邊聽著耳機里的音樂，不妨花一小會兒時間想想亞原子粒子反直覺的量子行為，因為正是這種行為讓核磁共振成像技術成為可能。

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象與知更鳥依靠自身導航跨越半球的航行有什么關系呢？對了，你應該還記得維爾奇科夫婦在20世紀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，因為那個時候，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）的德國科學家對自由基（free radical）相關的化學反應中電子的轉移方式產生了興趣。他發現，大多數電子在原子軌道中成對出現，而分子的外層軌道卻有孤電子存在。聯系到奇怪的量子自旋性質，這個發現就顯得重要起來。因為，配對的電子向相反的方向自旋，它們的合自旋也就抵消為零。但是，如果沒有配對電子可以抵消自旋，自由基中的孤電子就會產生凈自旋，并擁有磁性：在磁場中就可以統一排列它們的自旋。

舒爾滕提出，在高速三重態反應（fast triplet reaction）中會產生成對的自由基，而自由基中對應的成對孤電子會處于“量子糾纏”（quantum entanglement）的狀態。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，對任何外部的磁場方向極度敏感。舒爾滕進一步認為，謎一般的鳥類羅盤可能使用了量子糾纏的機理。

行文至此，我們還未事先解釋量子糾纏，這是因為這可能是量子力學中最奇異的性質了。量子糾纏是指，曾經在一起的粒子，無論分開多么遙遠的距離，都能保持瞬時的、近乎魔法般的聯系。比如，曾經相距很近的兩個粒子被分開很遠很遠，就算分到宇宙的兩邊，至少在理論上講，它們仍然能夠相互聯系。實際上，刺激一個粒子，會讓它遠在天邊的伙伴同時躍起。

據量子力學先驅們的展示，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“遠距離的幽靈作用”。這種“遠距離的幽靈作用”也確實激起了“量子神秘主義者們”的興趣，讓他們做出了關于量子糾纏的夸大陳述，比如，認為量子糾纏可以解釋諸如心靈感應等超自然現象。

愛因斯坦持懷疑態度，是因為量子糾纏違背了他的相對論，而相對論認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，相距遙遠的粒子不應該擁有幽靈般的同步聯結。但就此事而言，愛因斯坦錯了：現在，我們已經通過實證發現，量子粒子確實有遠距離的瞬時聯系。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心靈感應的存在。

在20世紀70年代早期，如果有誰認為量子糾纏這種奇特性質參與了普通化學反應，人們就會覺得他在異想天開。在那時，許多科學家支持愛因斯坦，他們懷疑處于糾纏態的粒子是否真的存在，畢竟還從未有人發現過這樣的粒子。但在那之后的幾十年間，許多實驗室設計了巧妙的實驗，證實了這種幽靈般的聯結，其中最著名的要數早在1982年由阿蘭·阿斯拜克特（Alain Aspect）領導的一組法國科學家在南巴黎大學進行的實驗。

阿斯拜克特的團隊讓成對的光子（光的粒子）處在了糾纏偏振狀態。偏光太陽鏡可能讓我們對偏振光已經很熟悉了。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。

測量是量子力學中最不可思議也是最有爭議的地方。它與一個你一定已經想到的問題有關：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、擁有幽靈般的聯結），是因為沒有人在看。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，表現得像我們周圍隨處可見的那些經典的普通物體一樣了。

當然，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典物理學的行為？這個問題的答案對本書的故事很重要，因為測量正處于量子世界與經典世界的邊界上，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?，F在，我們將僅僅考慮對此現象最簡單的理解，姑且認為用科學的工具測量一個量子性質，使得被測量的目標瞬間失去了自己的各種量子能力，而展現出一種傳統的經典物理學性質，比如測量光的偏振狀態時，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時，該光子瞬間失去了和它同伴之間幽靈般的聯系，并采取了單一的偏振方向。而無論這對光子離得多遠，它的同伴也會瞬間變得和它一樣。至少，量子力學的方程式是這樣預測的，也正是這一點讓愛因斯坦心神不寧。

自1982年起，這個實驗被重復多次，更有甚者，將成對的兩個光子分開數百公里之遠，而分開的光子總能表現出這種讓愛因斯坦無法接受的幽靈般的糾纏聯系。

在舒爾滕提出鳥類羅盤使用了量子糾纏的機理之后很多年，阿斯拜克特才做了這個實驗，而在舒爾滕的時代，量子糾纏現象還頗具爭議。而且，舒爾滕并不知道如此模糊的化學反應如何能讓知更鳥“看見”地球的磁場。此處，我們說“看見”是因為維爾奇科夫婦的另一大發現。雖然知更鳥在夜間遷徙，但是要激活其體內的磁性羅盤需要少量的光（大約在可見光譜中偏藍的一端），這就暗示著知更鳥的眼睛在其體內羅盤的運轉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的理論”這一認識在科學的角落中擱置了20余年。舒爾滕后來去了美國，在伊利諾伊大學香檳分校建立起了非常成功的理論化學物理小組。但他從來沒有忘記他那稀奇古怪的理論，并持續地撰寫修改了一篇相關的論文，該文列舉出一些可能的生物分子（活細胞中產生的分子），而這些生物分子可能會產生完成高速三重態反應必不可少的自由基。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，在動物的眼中發現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，因為隱花色素是一種已知的可能會產生自由基對的蛋白質。

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。在法蘭克福大學讀本科時，里茨聽過舒爾滕關于鳥類羅盤的演講，并對此著了迷。當出現機會時，他就跳槽到舒爾滕的實驗室讀博士，最初的研究課題是光合作用。當知道了隱花色素的事情后，他又轉去研究磁感應。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模型》的論文，描述了隱花色素如何能在鳥的眼睛中創造一個量子羅盤（在第5章中，我們還要更加詳細地討論這個問題）。

四年后，里茨與維爾奇科夫婦組成小組，共同進行了一項關于知更鳥的研究，為“鳥類利用量子糾纏來進行環球導航”的理論提供了第一份實驗證據。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》上一經發表就引起了廣泛的關注，鳥類的量子羅盤也立刻成為量子生物學——這門新興科學的典型代表。

形形色色的量子現象

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

生物學，其實只是一種應用化學，而化學又是一種應用物理學。因此，當你非要刨根問底時，所有的事物，包括我們和其他生物，都是物理學而已！這正是許多科學家所支持的論點，他們認為量子力學必須深層次地參與到生物學中，但他們同時也認為量子力學在生物學中的角色是無足輕重的。這些科學家想表達的觀點是：因為量子力學的規則描述了原子的行為，而生物學毫無疑問地包含了分子間的相互作用，那么量子力學的規則在生物學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，而在對生命至關重要的一些宏觀過程中，量子力學只有很少的作用或是根本就沒有作用。

這些科學家的觀點至少是部分正確的。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。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也是一樣的。你走路、說話、進食、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、質子及其他粒子的控制，正如你的汽車和烤面包機的運轉也極大地依賴于量子力學一樣。

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

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結（除了偽稱的心靈感應），你會沮喪地發現，自己不能同時既在辦公室又在家里。但是，構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的世界，而其表面之下，在邊界的另一邊，是物理學家們確認存在的另一個不同的世界。這是整個物理學中最深奧的問題，與我們之前提到過的量子測量現象有關。

當量子系統與諸如阿蘭·阿斯拜克特實驗中的偏光鏡等經典物理學的測量工具相互作用時，量子系統立刻失去了其量子特異性，表現得像經典物理學的物體一樣。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家們采用的測量方法。那是什么力量在物理實驗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）物體中的運動方式有關。原子與分子傾向于在非生命固體內隨機地散布及無規則地振動；在液體與氣體中，由于熱的關系，它們也會持續地隨機運動。這些隨機的因素——散布、振動與運動——導致粒子波浪式的量子性質迅速消失。因此，其實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），要么仔細地把量子粒子排成一行，以便它們能夠步調一致地前進（正如當你躺在核磁共振成像掃描儀中時，你體內的氫原子核會按照相同的方式自旋——當關掉電磁鐵后，原子核的自旋方向重新變得隨機，量子一致性會再一次被抵消掉）。同理，分子隨機化可以解釋為什么大多數時候沒有量子力學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成它們的分子持續地向各個方向隨機運動，而被抵消掉了。

注意是“大多數時候”而不是“總是”。正如舒爾滕所發現的那樣，只有用到糾纏態這一精妙的量子理論時，才能解釋高速三重態反應的反應速度。但高速三重態反應不過只是“快”而已，而且僅僅涉及兩三個分子。要想解釋鳥類的導航能力，量子糾纏必須對整只知更鳥施加持續的影響。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反應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數量的懷疑也就不足為奇了。

通常認為，活細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中，而這種分子攪動會立刻測量并分散奇特的量子效應。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”是當一個水分子撞擊在處于量子糾纏態中的一對粒子的其中之一上時所發生的事情：水分子隨后的運動會受到該粒子先前狀態的影響，因此，如果去研究水分子撞擊后的運動，將能推理出與其相撞的粒子的一些性質。

從這個意義上來講，水分子完成了一次“測量”，因為不管是否有人去檢驗，水分子的運動提供了一份關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。因此，許多科學家認為，宣稱精細的量子糾纏態能夠在溫熱而復雜的活細胞內部保存下來，是一種不切實際的想法，近于瘋癲。

但是，近幾年來，我們關于這類事物的知識取得了巨大的進步——不僅僅是與鳥類相關。在許多生物現象中的確發現了諸如疊加態和隧穿之類的量子現象，從植物如何獲得陽光到我們的細胞如何制造生物分子都涉及該內容。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。研究量子生物學的論文現在經常出現在世界上最權威的科學期刊上。盡管現在只有一小部分科學家堅持認為量子力學在生命現象中扮演的角色不是無足輕重的，而是至關重要的，但這個數量正在增長。而生命，在一個特殊的位置——量子世界與經典世界的邊緣上，維持著奇異的量子特性。

我們于2012年9月在英國薩里大學舉辦了量子生物學國際研討會，該領域中的絕大多數科學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了一個小型階梯教室里，那時，我們清楚地發現，研究量子生物學的科學家在數量上真的很少。但是，那種發現量子力學在日常生物現象中所起作用的興奮，正在驅動著這個領域快速發展。為什么溫熱、濕潤、混亂的生命體內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的發展產生巨大影響，量子生物學是目前最令人激動的研究領域。

不過，要想真正感受這些發現的重要性，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年英國薩里大學量子生物學國際研討會的出席者