引言 没有量子力学，就不会有生命

在整个科学领域，量子力学是最具影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的，比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

今年冬天，欧洲寒冷的天气比往年来得更早一些，夜晚的空气中透着刺骨的严寒。在一只年轻知更鸟的脑海深处，一个曾经模糊的信念正在变得清晰而强烈。

在过去的几周里，这只知更鸟吞食了大量的昆虫、蜘蛛、蠕虫和浆果，远远超过了它的正常食量。现在，它的体重几乎有八月份时的两倍了。那时，它生育的一窝幼雏在学会飞翔后刚刚离巢。这只知更鸟多余的体重绝大部分以脂肪的形式储存，在它即将启程的艰苦旅途中，它需要这些脂肪作为飞行的燃料。

这将是它第一次离开瑞典中部的这片云杉林迁徙去南方。在这片土地上，它度过了自己短暂的前半生。几个月前，也是在这片土地上，它生产并抚育了自己年幼的孩子们。它其实还算幸运，因为去年的冬天并不是一个寒冬，而那时的它羽翼未丰，不够强壮，并不能踏上这样漫长的征程。因为直到来年春天它才会再次承担为人父母的责任，现在它需要考虑的只有自己，所以，它准备逃离即将来临的寒冬，一路向南，去享受南方更加温暖的气候。

距日落已近两小时了，它并没有钻进爱巢准备过夜，而是在夜色中跳到了一棵大树靠近主干的枝头上。从春天开始，它就已经把家安在了这棵树上。它快速地抖动一下全身，就像一个马拉松运动员在赛跑前放松自己的肌肉。它橙色的胸脯在月光下闪闪发亮。几尺开外就是它的爱巢，半遮半掩地藏在长满苔藓的树干后面。为了筑建这个家所付出的艰辛努力和悉心照料，此刻都变成了朦朦胧胧的回忆。

它并不是唯一一只准备启程的鸟。其他的知更鸟，无论是雄性还是雌性，都已经确定，今晚就是它们应该开始漫长南迁之旅的日子。在四周的树林中，渐次响起了知更鸟高亢而尖锐的鸣唱，将其他林栖夜行动物发出的声响压了下去，仿佛它们感觉有必要向林中其他的栖居者们宣布自己的离开，并警告自己的邻居，在它们离家期间，想侵入它们的领地和鸟巢要三思而行。因为，这些知更鸟绝大部分都会在来年春天回到这里。

它快速地把头向一侧倾斜又歪向另一侧，以保证身体的灵活，紧接着猛然冲进了夜空。随着冬天的迫近，夜越来越长，在下次休息前，它可能要一口气飞上10小时或更长时间。

它是朝着195°的方向出发的，也就是南偏西15°。在未来的几天，它差不多会一直朝着这个方向飞行，顺利的话，一天能飞上320千米。它不知道旅途上会发生什么，也不知道旅途会有多长。云杉林附近的地形它还算熟悉，但飞出几千米后，月光下的景色就是陌生的湖泊、山谷和小镇了。

虽然它并不是要去一个特定的地方，但它的目的地大约是在地中海边上的某处。当发现一处环境宜人的地方时，它就会停下来，记好附近的地标，好在往后的几年中再回到那里。如果力气足够，它甚至会一口气飞越地中海，到达北非的海滨。不过，这才是它的第一次南迁，当务之急是逃离斯堪的纳维亚半岛刺骨的寒冬，所以它或许不会飞那么远。

它似乎没有察觉到，周围的知更鸟们也在朝着大致相同的方向飞行，有些之前甚至已经南迁过多次了。它的夜视能力极佳，但并没有像我们在长途旅行中那样寻觅任何地标，它也没有像其他夜间迁徙的鸟类一样，通过追踪晴朗夜空中星星的位置并对照头脑中的星图来确定方向。相反，数百万年的进化让它获得一项不同凡响的能力，来帮助它完成每年秋天大约3 000千米的例行迁徙。

动物大迁徙

迁徙，在动物王国中是一件平淡无奇的事情。比如，每年冬天，鲑鱼都会在欧洲北部的河流和湖泊中产卵，卵孵化成幼小的鱼苗，顺着河道流入大海，在北大西洋中发育成熟，三年后，这些年轻的鲑鱼溯流而上，重新回到它们孵化的河流与湖泊中去交配繁衍。帝王蝶会在秋天迁徙数千千米，向南穿过整个美国。它们或者它们的后代（它们会在迁徙途中繁衍后代）又会向北回迁，回到当初自己的先辈化蛹的同一片树林。在南大西洋阿森松岛（Ascension Island）海滩上孵化的绿海龟在海洋中游了数千千米后，每三年会回到那片它们当初出生的撒满蛋壳的沙滩上去产卵繁殖。这样的故事还有很多：许多候鸟、鲸鱼、北美驯鹿、多刺龙虾、蛙类、蝾螈，甚至是蜜蜂都有能力进行足以让最伟大的人类探险家都感觉困难的长途跋涉。

几个世纪以来，这些动物如何在环球迁徙中找到自己的方向一直是一个谜。现在我们知道，它们各有神通：有些动物会在日间利用太阳、在夜间利用恒星的相对位置来导航；有些动物会记忆地标；有些动物甚至能闻到它们在这个星球上该走的路。但导航能力最不可思议的要数知更鸟：它们能感知到地球磁场的方向与强度。这种能力被称为磁感应（magnetoreception）。虽然现在我们知道有一些其他生物也拥有这项能力，但我们最感兴趣的还是知更鸟在跨越大半个地球的旅程中是如何找到自己的方向的。

让知更鸟知道该飞多远、朝哪个方向飞的机理，其实已经编码在它们从父母那里继承来的基因之中了。这是一种复杂而又不同寻常的能力，让它能依靠这种第六感来确定自己的航向。像许多其他的鸟类一样（甚至还包括一些昆虫和海洋生物），知更鸟拥有感知地球微弱磁场的能力，并能依靠内在的导航直觉，从地磁场中得出方向性的信息。就知更鸟而言，它的导航直觉需要一种新式的化学罗盘作为指引。

磁感应真是个谜题。问题的关键在于地球的磁场非常微弱。地表的磁场在30～70微特斯拉(1)之间，这一数值虽然足以使一个处于微妙平衡中且几乎没有阻力的罗盘指针偏转，但它只有一个普通冰箱贴磁力的1%。这就出现了使人困惑的谜题：动物要想感知到地磁场，其体内某处的一个化学反应必然在某种程度上要受到地磁场的影响——这是包括我们在内的所有生物感知外界信号的方式。但是，地磁场与活体细胞内的分子相互作用所产生的能量还不及使一个化学键形成或断裂所需能量的1/109。那么，知更鸟究竟是如何感知到地磁场的呢？

这样的谜题无论多么微不足道都足以令人着迷，因为这些谜题的答案可能将我们对世界的认识引向一种根本性转变的新方向。比如，16世纪时，哥白尼曾深思托勒密地心说模型中一个相对次要的几何关系问题，这最终让哥白尼发现，人类并不是整个宇宙的中心。达尔文痴迷于研究动物物种的地理分布与孤立小岛上雀类喙的异化之谜，最后他基于此提出了著名的进化论。德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）关心物体热辐射的问题，他开始追寻黑体辐射之谜的解答，因此发现能量以名为“量子”（quantum）的离散团块来传递，并最终在1900年引导了量子理论的诞生。那么，对于“鸟儿们如何在跨越半球的迁徙中找到方向”的解答是否也能掀起一场生物学革命呢？虽然有点出人意料，但答案是肯定的。

量子　quantum

发热体表面的物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，而且这些能量团不可以再分，被称为“量子”。

但是，像这样的谜题，也会让伪科学家与神秘主义者们魂牵梦绕，正如牛津大学的化学家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）在1976年所说：“磁场对化学反应的影响——这一研究一直是冒充内行的骗子们嬉闹的领域。”事实也的确如此，各种古怪的解释都在某种程度上被当作候鸟迁徙时确定路线的机理。比如，心灵感应、古老的“灵线”（ley lines，连接不同考古或地理标志性地点的隐形线路，被认为拥有精神能量）、由“超心理学家”鲁珀特·谢尔德雷克（Rupert Sheldrake）发明的饱受争议的“形态共振”（morphic resonance）理论，不一而足。因此，阿特金斯在20世纪70年代的看法也就变得可以理解，那反映了当时在大多数科学家中流行的对“动物可能有能力感知到地球磁场”的想法所持的怀疑主义态度。似乎没有任何分子机理能够允许动物拥有感应磁场的能力，至少在传统的生物化学领域，这样的机理并不存在。

但就在彼得·阿特金斯表达了他的怀疑论的同一年，一对住在法兰克福的德国鸟类学家伉俪沃尔夫冈·维尔奇科（Wolfgang Wiltschko）与罗斯维塔·维尔奇科（Roswitha Wiltschko）在世界最顶尖的学术杂志《科学》上发表了一篇突破性的论文，毋庸置疑地说明知更鸟确实能够感知到地球磁场。更令人惊奇的是，他们发现这些鸟儿们的感知能力与普通指南针的工作原理似乎并不相同。因为，指南针能够测量出从地磁北极到地磁南极的磁场差异，而知更鸟只能够判断出地极到赤道的磁场差异。

要理解指南针是如何工作的，我们需要先了解一下磁场线。磁场线是确定磁场方向的无形轨道。放在磁场中任意位置后，罗盘指针会自动与磁场线平行对齐。在一块条形磁铁上放一张纸，上面撒上铁屑，铁屑自动排列形成的模式，就是最常见的磁场线的形式。现在，请想象整个地球是一个巨大的条形磁铁，其磁场线从地球的南极发出，向外辐射，弯曲成环，最终汇入北极（见图0-1）。

在两极附近，这些磁场线的方向几乎是垂直传入或传出地面的，但是，越接近赤道，这些磁场线就越平而且越接近与地表平行。因此，我们把一种测量磁场线与地球表面夹角的罗盘称为“磁倾角罗盘”（inclination compass），该罗盘能够区分朝向地极与朝向赤道的方向。但这种罗盘并不能区分南北极，因为磁场线在地球的两个半球都会与地面产生相同的夹角。维尔奇科夫妇在1976年的研究中发现，知更鸟的磁感知能力正像这种磁倾角罗盘。可问题在于，当时没有人对这种生物磁倾角罗盘的工作原理有任何头绪。因为，在那个时候，人们完全无法想象，也没有已知的原理可以解释动物如何能在自己体内测出磁场线与地面的夹角。答案原来藏在当代最令人震惊的科学领域之中，其原理与量子力学的奇异理论有扯不断的关系。

万物背后的量子真相

假如今天在科学家中间进行一项民意调查，问他们什么是整个科学领域最成功、影响最深远、最重要的理论，答案可能会取决于你所问的科学家是在非生物科学领域还是生物科学领域。绝大多数生物学家认为达尔文的自然选择进化论是人类有史以来最意义深远的理论，而一个物理学家则更倾向于认为量子力学理论才应该占据科学中的首要位置，因为量子力学构筑了大部分现代物理学与化学的基石，揭示了宇宙的基本构成单位，并向人类展现了一幅非凡的宇宙全景。确实，如果没有量子力学的解释，我们目前对世界如何运转的大部分看法都不能成立。

几乎每个人都听说过“量子力学”，不过，认为“量子力学是一门艰深而难以理解的科学，只有极小部分非常聪明的人能够理解它”的想法一直很普遍。但事实是，从20世纪早期开始，量子力学就已经成了我们所有人生活的一部分。量子力学在20世纪20年代中期发展为一种解释极小世界（现称微观世界）的数学理论。原子构成了我们眼睛所见的一切事物，而量子力学描述了原子的行为以及构成这些原子的更小粒子的性质。比如，通过描述电子运动所遵循的规则以及电子在原子内部如何安排自己的行为，量子力学奠定了整个化学、材料科学甚至电子学的基础。不仅如此，过去半个世纪中大多数技术进步都以量子力学的数学规则为核心。

如果没有量子力学对电子如何在材料中穿梭的解释，我们就无法理解半导体的行为；而半导体又是现代电子学的基础，如果没有对半导体的理解，我们就无法发明出硅晶体管，以及后来的微芯片及现代计算机。这样的例子不胜枚举：没有量子力学对我们知识的提升，就不会有激光，也就没有CD、DVD或蓝光影碟播放器；没有量子力学，我们就不会有智能手机、卫星导航或核磁共振成像扫描仪。事实上，有估计称，如果没有我们对量子世界中力学原理的理解，发达国家超过1/3的国内生产总值将无法实现。

这才仅仅是个开始。在有生之年，我们十有八九会见证一个量子时代的到来。到那个时候，人类可以从激光驱动的核聚变中获得近乎无限的电能；分子级别的人造机器会在工程、生化及医药领域帮助人类完成大量的任务；量子计算机将开始提供人工智能；从前只在科幻作品中出现的远距传物技术将很有可能成为信息传递的常规方式。发端于20世纪的量子革命将在21世纪持续加速，以不可想象的方式改变我们的生活。

但是，量子力学究竟是什么呢？对这个问题的探索将是贯穿本书的线索。对于初次接触量子力学的尝鲜者，此处我们以几例量子力学对生活潜移默化的影响为开始，向你展现这些真相如何塑造了我们的生活。

｜奇特的波粒二象性｜

第一个例子表现的是量子世界中最奇特的特征，也可以说是量子世界的决定性特征：波粒二象性。

我们已经熟悉了世界的构成，知道自己周围的所有物体都是由许许多多微小而离散的粒子构成的，比如原子、电子、质子和中子。你可能也知道，能量（比如声或光）以波的形式传播，而非粒子。波会向外扩散，而不是像粒子那样向四周移动；波在空间穿过，会像大海里的波涛一样，形成波峰和波谷。20世纪早期，科学家发现亚原子粒子可以像波一样运动，而光波具有粒子的性质。量子力学正是在那个时候诞生的。

虽然波粒二象性不是什么你每天都需要考虑的事情，但它构成了许多非常重要的机械的基础，比如电子显微镜。电子显微镜让医生和科学家能够看见、分辨并研究用传统光学显微镜看不见的极微小物体，比如艾滋病毒和普通流感病毒。“电子具有波的性质”这一发现直接催生了电子显微镜的发明。

德国科学家马克斯·克诺尔（Max Knoll）和恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）发现，因为电子产生的波长（指任一波中连续两个波峰或波谷之间的距离）比可见光的波长要短得多，因此基于电子成像的显微镜会比普通的光学显微镜捕捉到更多的细节。这是因为，当波遇到任何微小的物体后，如果这一物体的三维比波的波长要短，那么这个物体将不会影响和改变波的传播，就像波长几米的海浪冲击着沙滩上的鹅卵石一样。你需要更短的波长，比如那种在学校的科学实验课上常见的水槽里的涟漪，才能在遇到鹅卵石后产生反射和衍射，使我们最终“看见”这个鹅卵石。因此，克诺尔和鲁斯卡在1931年制造了世界上第一台电子显微镜，并用它拍下了世界上第一张病毒的照片。恩斯特·鲁斯卡因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这个奖颁得或许有些迟了，因为克诺尔在多年前（1969年）已经逝世，而鲁斯卡在得奖两年后也离开了人世。

｜量子遂穿，“穿墙而过”的粒子｜

第二个例子将更加重要。你知道太阳为什么会发光吗？

大多数人可能知道太阳本质上是一个核聚变反应堆，消耗氢来释放热量和阳光，而阳光维持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果没有那让粒子“穿墙而过”的奇异量子性质，太阳根本不会发光。太阳（或者说宇宙中的所有恒星）之所以能够放射如此大量的能量，是因为氢原子的原子核（也就是带有一个单位正电荷的质子）能够聚变，并以我们称为阳光的电磁辐射释放能量。两个氢原子核要想聚变，就需要靠得非常近，但两者靠得越近，相互间的排斥力就越大，因为它们各携带一个正电荷，而同种电荷互相排斥。

事实上，如果要让两个质子靠近到足以聚变，那么这两个质子必须有能力穿越一堵亚原子尺度的“砖墙”：一个明显不可穿透的能量壁垒。经典物理学(2)——构建在牛顿定律之上，能够很好地描述日常生活中球体、弹簧、蒸汽引擎，甚至是天体的受力和运动——认为这样的穿越不可能发生。换句话说，因为粒子不可能穿墙而过，所以太阳也不应该发光。

但是原子核这一类遵循量子力学原理的粒子却暗藏玄机：它们通过一种被称为“量子隧穿”（quantum tunneling）的过程，可以轻松地穿透上述的壁垒。从本质上讲，是它们的波粒二象性使它们能够完成隧穿。正如海浪可以绕过物体（比如沙滩上的卵石）传播一样，波也可以绕过物体传播（比如声波可以穿透墙壁，让你听到邻居家的电视声）。当然，作为声波的介质，空气并没有真正地穿透墙壁：空气中的振动，也就是声音，使你和邻居共用的墙壁发生振动，而此振动又推动你房间中的空气，将相同的声波传入你的耳中。但原子核却不一样，如果你能像原子核一样行动，那么有时候，你真的能够像幽灵一般直接穿过坚实的壁垒。(3)太阳内部的氢原子核所做的正是如此：它能让自己传播出来，像幽灵一样穿透能量壁垒，使自己与墙另一边的伙伴靠得足够近来完成聚变反应。因此，当你下一次在沙滩上晒太阳时，不妨看看拍打着沙滩的海浪，想一想量子粒子像幽灵一样波动，这种波动不仅能够让你享受温暖的阳光，也使得我们星球上所有的生命成为可能。

｜叠加态：华尔兹与爵士共舞｜

第三个例子与前面的例子也相关，但展现了量子世界不同甚至更加奇怪的特征：一种被称为“叠加态”（superposition）的现象。

叠加态现象指粒子可以同时完成两件、100件甚至100万件事情。这个性质可以解释我们的宇宙为什么如此复杂而有趣。在大爆炸之后，宇宙诞生，彼时的空间中充斥着单一的原子，即以最简单的形式存在的氢原子——由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成。那是一个相当单调的世界，没有恒星或行星，当然，也不会有任何生命。因为，包括我们自己在内，构成我们周围一切事物的“基本单位”，都是比氢原子更为复杂的物质，比如像碳、氧、铁这样更重的元素。幸运的是，在充满氢的恒星内部，可以利用氢的另一种形态来生成这些更重的元素。氢的这种更重的形态叫作氘或重氢。而氘原子之所以能存在，多少要归功于量子的魔法。

如前所述，合成的第一步是两个氢原子核，也就是质子，通过量子隧穿效应靠得足够近时，释放一些能量。正是这些能量变成的阳光温暖着我们的星球。第二步，两个质子必须结合在一起，这个过程并不容易，因为两个质子间的作用并不能提供足够的黏合力。所有的原子核其实由两种粒子构成：质子和电中性的中子。如果原子核中某一种粒子太多，量子力学的原理就认为原子核内的平衡会重新调整，部分多余的粒子会转变为另一种粒子：质子变成中子或中子变成质子。这种转变的过程被称为β衰变（beta-decay）。两个质子结合时所发生的事情正是如此：两个质子不能共存，其中之一会β衰变为中子。剩余的质子与新生成的中子会结合形成一种新的物质氘核（氢的同位素(4)氘的原子核），之后，氘核会进一步发生核反应，合成更加复杂的、重于氢的原子核，从氦（两个质子加一个或两个中子）到碳、氮、氧，以此类推。

此处的重点在于，氘核的存在归功于其能同时以两种状态出现的能力，而这种能力恰是量子叠加态的体现。这是因为，由于自旋方式的不同，质子和中子能以两种不同的方式结合。我们随后将详细考察“量子自旋”（quantum spin）的概念与我们所熟悉的宏观物体（如网球）的旋转究竟有何不同，而现在，我们将暂时跟随自己对自旋粒子的直觉，把氘核内质子和中子的共同旋转，想象成一场精心编排的“舞蹈”，而这舞蹈结合了“缓慢亲密的华尔兹”与“节奏稍快的爵士”两种特点。早在20世纪30年代晚期，科学家就发现，氘核内部的这两种粒子并不是以这一种或那一种形式在共舞，而是同时以两种状态在舞蹈——它们同时跳着“华尔兹”和“爵士”——而正是这种舞蹈形式，将它们紧密结合在了一起。(5)

看了上文，你可能不禁要问：“你们是怎么知道的？”是的，原子核太小了，远非肉眼所能看见，那么，为了更合情理，我们是不是该假设自己对“核力”的理解还不够完善呢？答案是否定的。上文的结论已经在多个实验室被反复证明：如果质子和中子以“量子华尔兹”或“量子爵士”的任意一种形式结合，两者间的核“黏合力”都不足以强到使两者结合在一起；只有两者互相叠加时，也就是两种状态同时存在时，黏合力才足够强。我们可以将这两种状态的叠加想象为两种颜料的混合（如蓝色和黄色，混合后会形成一种新的颜色——绿色），虽然你知道绿色是由最初的两种颜色混合而成的，但它既不是蓝色也不是黄色。不同比例的蓝色和黄色混合，也能创造出不同色调的绿色。同样地，质子和中子能够结合为氘核，是因为它们的舞蹈大部分是“华尔兹”，但同时也混合着一小部分“爵士”。

因此，如果粒子们不能同时共舞“华尔兹”和“爵士”，那么我们的宇宙到现在还是一锅氢气粥，除了氢气外别无他物——没有发光的恒星，没有其他元素，你也不会在这儿读这些文字了。我们能够存在，是因为质子和中子以反直觉的量子方式存在着。

｜核磁共振的秘密｜

我们的最后一个例子要把大家带回到技术世界中。量子世界的性质不仅可以用来观察像病毒一样微小的事物，也可以用来观察我们的身体内部。核磁共振成像是一种医疗扫描技术，能够造出细节极其丰富的软组织图像。核磁共振成像通常被用来诊断疾病，特别是探测内部器官上的肿瘤。大多数介绍核磁共振成像扫描仪的通俗说明都没有提到，其实此项技术依赖于量子世界奇特的运转原理。核磁共振成像扫描仪使用磁力强劲的大型磁铁将病人体内氢原子核的自旋轴排列整齐。之后，这些原子被放射波脉冲刺激，迫使排列整齐的原子核以奇特的量子状态存在，同时向两个方向自旋。试着将这个过程视觉化对理解它并没有什么作用，因为目前它离我们的日常生活还很遥远。重点在于当这些原子核重新回到最初的状态（即它们还未接受能量脉冲的刺激而进入量子叠加态）时，它们会把之前接受的能量释放出来。核磁共振成像扫描仪上的电子仪器将收集这些能量，并以此为患者体内的器官造影，生成细节丰富的图像。

因此，如果你有机会躺在一台核磁共振成像扫描仪里，或许还一边听着耳机里的音乐(6)，不妨花一小会儿时间想想亚原子粒子反直觉的量子行为，因为正是这种行为让核磁共振成像技术成为可能。

知更鸟是如何感知方向的

上面所有这些量子世界的奇异现象与知更鸟依靠自身导航跨越半球的航行有什么关系呢？对了，你应该还记得维尔奇科夫妇在20世纪70年代早期的研究：知更鸟的地磁觉与磁倾角罗盘的工作原理相同。这让人极其困惑，因为那个时候，没有任何人对生物磁倾角罗盘的工作原理有头绪。

然而，大约在同一时期，一位叫克劳斯·舒尔滕（Klaus Schulten）的德国科学家对自由基（free radical）相关的化学反应中电子的转移方式产生了兴趣。他发现，大多数电子在原子轨道中成对出现，而分子的外层轨道却有孤电子存在。联系到奇怪的量子自旋性质，这个发现就显得重要起来。因为，配对的电子向相反的方向自旋，它们的合自旋也就抵消为零。但是，如果没有配对电子可以抵消自旋，自由基中的孤电子就会产生净自旋，并拥有磁性：在磁场中就可以统一排列它们的自旋。

舒尔滕提出，在高速三重态反应（fast triplet reaction）中会产生成对的自由基，而自由基中对应的成对孤电子会处于“量子纠缠”（quantum entanglement）的状态。由于某些难以理解的原因（后文会介绍），被分开的两个电子处于微妙的量子状态，对任何外部的磁场方向极度敏感。舒尔滕进一步认为，谜一般的鸟类罗盘可能使用了量子纠缠的机理。

行文至此，我们还未事先解释量子纠缠，这是因为这可能是量子力学中最奇异的性质了。量子纠缠是指，曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎魔法般的联系。比如，曾经相距很近的两个粒子被分开很远很远，就算分到宇宙的两边，至少在理论上讲，它们仍然能够相互联系。实际上，刺激一个粒子，会让它远在天边的伙伴同时跃起。(7)

量子纠缠　quantum entanglement

指曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎幽灵般的联系。

据量子力学先驱们的展示，量子纠缠能很好地符合他们列出的方程式，但由于其造成的影响太不可思议了，以至于伟大如提出黑洞和时空弯曲的爱因斯坦，也拒绝接受它，嘲笑量子纠缠不过是“远距离的幽灵作用”。这种“远距离的幽灵作用”也确实激起了“量子神秘主义者们”的兴趣，让他们做出了关于量子纠缠的夸大陈述，比如，认为量子纠缠可以解释诸如心灵感应等超自然现象。

爱因斯坦持怀疑态度，是因为量子纠缠违背了他的相对论，而相对论认为没有任何影响和信号能在空间中以比光更快的速度传播。按照爱因斯坦的理论，相距遥远的粒子不应该拥有幽灵般的同步联结。但就此事而言，爱因斯坦错了：现在，我们已经通过实证发现，量子粒子确实有远距离的瞬时联系。但即便这样，为了防止你胡思乱想，必须澄清一下，量子纠缠并不能被用来证实心灵感应的存在。

在20世纪70年代早期，如果有谁认为量子纠缠这种奇特性质参与了普通化学反应，人们就会觉得他在异想天开。在那时，许多科学家支持爱因斯坦，他们怀疑处于纠缠态的粒子是否真的存在，毕竟还从未有人发现过这样的粒子。但在那之后的几十年间，许多实验室设计了巧妙的实验，证实了这种幽灵般的联结，其中最著名的要数早在1982年由阿兰·阿斯拜克特（Alain Aspect）领导的一组法国科学家在南巴黎大学进行的实验。

阿斯拜克特的团队让成对的光子（光的粒子）处在了纠缠偏振状态。偏光太阳镜可能让我们对偏振光已经很熟悉了。每一个光子都有其方向性和偏振的角度，与我们之前介绍的自旋性质很相似。(8)阳光中的光子包含所有的偏振方向，而偏振太阳镜会过滤掉这些光子，只允许某个特定偏振角度的光子通过。阿斯拜克特生成了成对的光子，不仅偏振方向不同（比如一个向上、一个向下），而且互相纠缠。正如之前那个“华尔兹与爵士共舞”的比喻，这两个光子中的任意一个，并不是真的朝此或彼方向偏振，而是同时既向此又向彼方向偏振，接下来就要测量它们了。

测量是量子力学中最不可思议也是最有争议的地方。它与一个你一定已经想到的问题有关：为什么我们看到的所有物体不会像量子粒子一样完成这些怪异而又神奇的事情呢？答案是，在微观的量子世界中，粒子们之所以能够表现得如此奇特（比如同时做两件事、能穿墙而过、拥有幽灵般的联结），是因为没有人在看。一旦用某些方法去观察或测量它们，它们就会失去这些特异性，表现得像我们周围随处可见的那些经典的普通物体一样了。

当然，这只会带来另一个问题：测量究竟有什么特别之处，能让量子粒子从量子行为变成了符合经典物理学的行为？(9)这个问题的答案对本书的故事很重要，因为测量正处于量子世界与经典世界的边界上，可能你从本书的英文书名中也猜到了一二，生命也处在这个地方，即处于量子的边缘。

对量子测量的探索将会贯穿全书，而我们也希望你能逐渐掌握探索过程中难以理解的微妙之处。现在，我们将仅仅考虑对此现象最简单的理解，姑且认为用科学的工具测量一个量子性质，使得被测量的目标瞬间失去了自己的各种量子能力，而展现出一种传统的经典物理学性质，比如测量光的偏振状态时，光子失去同时指向各个方向的能力，而仅仅指向单一的方向。因此，当阿斯拜克特用观察光是否可以穿过特定的偏光镜的方法测量任意一对互相纠缠的光子其中之一的偏振态时，该光子瞬间失去了和它同伴之间幽灵般的联系，并采取了单一的偏振方向。而无论这对光子离得多远，它的同伴也会瞬间变得和它一样。至少，量子力学的方程式是这样预测的，也正是这一点让爱因斯坦心神不宁。

量子实验室

阿斯拜克特和他的团队在实验室中进行了一个著名的实验：一对光子被分开数米远，这个距离已经足够。因为相对论告诉我们，没有什么会比光的传播速度更快，所以即使在两个光子之间施加一个以光速传播的影响，也不能影响它们偏振的角度。但是，测量结果表明，这对光子的偏振方向是相关的：当其中一个光子向上偏振时，与其成对的另一个光子会向下偏振。

自1982年起，这个实验被重复多次，更有甚者，将成对的两个光子分开数百千米之远，而分开的光子总能表现出这种让爱因斯坦无法接受的幽灵般的纠缠联系。

在舒尔滕提出鸟类罗盘使用了量子纠缠的机理之后很多年，阿斯拜克特才做了这个实验，而在舒尔滕的时代，量子纠缠现象还颇具争议。而且，舒尔滕并不知道如此模糊的化学反应如何能让知更鸟“看见”地球的磁场。此处，我们说“看见”是因为维尔奇科夫妇的另一大发现。虽然知更鸟在夜间迁徙，但是要激活其体内的磁性罗盘需要少量的光（大约在可见光谱中偏蓝的一端），这就暗示着知更鸟的眼睛在其体内罗盘的运转中扮演着重要的角色。但是，除了视觉之外，知更鸟的眼睛又是如何向其提供磁感觉的呢？不管是否掌握舒尔滕的自由基配对原理，这都是一个十足的谜题。

“鸟类罗盘中用到了量子力学的理论”这一认识在科学的角落中搁置了20余年。舒尔滕后来去了美国，在伊利诺伊大学香槟分校建立起了非常成功的理论化学物理小组。但他从来没有忘记他那稀奇古怪的理论，并持续地撰写修改了一篇相关的论文，该文列举出一些可能的生物分子（活细胞中产生的分子），而这些生物分子可能会产生完成高速三重态反应必不可少的自由基。但是没有一种生物分子能够满足条件：它们不是不能产生自由基对，就是在知更鸟的眼睛里不存在。直到1998年，舒尔滕在一篇论文中了解到，在动物的眼中发现了一种神秘的光感受器，叫作隐花色素（cryptochrome）。这立刻激起了他的科研直觉，因为隐花色素是一种已知的可能会产生自由基对的蛋白质。

一位名叫索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）的博士生后来加入舒尔滕的小组，里茨颇具天赋。在法兰克福大学读本科时，里茨听过舒尔滕关于鸟类罗盘的演讲，并对此着了迷。当出现机会时，他就跳槽到舒尔滕的实验室读博士，最初的研究课题是光合作用。当知道了隐花色素的事情后，他又转去研究磁感应。2000年，里茨与舒尔滕合著了题为《鸟类基于光感受器的磁感应模型》的论文，描述了隐花色素如何能在鸟的眼睛中创造一个量子罗盘（在第5章中，我们还要更加详细地讨论这个问题）。

4年后，里茨与维尔奇科夫妇组成小组，共同进行了一项关于知更鸟的研究，为“鸟类利用量子纠缠来进行环球导航”的理论提供了第一份实验证据。这一切似乎证明，舒尔滕一直是对的。他们2004年的论文在《自然》上一经发表就引起了广泛的关注，鸟类的量子罗盘也立刻成为量子生物学这门新兴科学的典型代表。

形形色色的量子现象

之前我们描述过量子隧穿和量子叠加态，它们都既存在于太阳的核心，也存在于电子设备中，比如电子显微镜和核磁共振成像扫描仪之中。那么，量子现象出现在生物学中又有什么值得我们大惊小怪的呢？

生物学，其实只是一种应用化学，而化学又是一种应用物理学。因此，当你非要刨根问底时，所有的事物，包括我们和其他生物，都是物理学而已！这正是许多科学家所支持的论点，他们认为量子力学必须深层次地参与到生物学中，但他们同时也认为量子力学在生物学中的角色是无足轻重的。这些科学家想表达的观点是：因为量子力学的规则描述了原子的行为，而生物学毫无疑问地包含了分子间的相互作用，那么量子力学的规则在生物学最微观的层面一定也适用——不过也仅仅在这些最微观的层面适用，而在对生命至关重要的一些宏观过程中，量子力学只有很小的作用或根本就没有作用。

这些科学家的观点至少是部分正确的。诸如像DNA或酶之类的生物分子是由像质子和电子这样的基本粒子组成的，而这些粒子的相互作用受限于量子力学。不过，话说回来，你正在读的这本书或你正在坐的椅子其实也是一样的。你走路、说话、进食、睡觉，甚至思考的方式，无一不取决于量子世界中的力对电子、质子及其他粒子的控制，正如你的汽车和烤面包机的运转也极大地依赖于量子力学一样。

但是，总的来说，你并不需要知道这些。车辆机械工人并不要求在大学时修量子力学的学分，大多数生物学专业的课程也鲜有提及量子隧穿、量子纠缠或量子叠加态。即使我们不知道这个世界的运转除了基于我们熟悉的规则外，其实从根本上还依靠着一套我们完全不熟悉的法则，我们中的大多数人也照样活得好好的。发生在极微观层面的奇异量子现象，对大一点的东西来说，比如我们每天见到和使用的汽车或烤面包机，通常并不能产生什么影响。

为什么不能呢？足球不能穿墙而过，人与人之间并没有幽灵般的联结（除了伪称的心灵感应），你会沮丧地发现，自己不能同时既在办公室又在家里。但是，构成足球或人体的基本粒子却能做到所有这些事情。为什么会有这样一条断层线？边界的一边是我们眼见为实的世界，而其表面之下，在边界的另一边，是物理学家们确认存在的另一个不同的世界。这是整个物理学中最深奥的问题，与我们之前提到过的量子测量现象有关。

当量子系统与诸如阿斯拜克特实验中的偏光镜等经典物理学的测量工具相互作用时，量子系统立刻失去了其量子特异性，表现得像经典物理学的物体一样。但是，我们周围的世界是我们看到的这个样子，并不能完全归咎于物理学家们采用的测量方法。那是什么力量在物理实验室之外使量子行为消失了呢？

答案与粒子的排列方式及其在大型（宏观）物体中的运动方式有关。原子与分子倾向于在非生命固体内随机地散布及无规则地振动；在液体与气体中，由于热的关系，它们也会持续地随机运动。这些随机的因素——散布、振动与运动，导致粒子波浪式的量子性质迅速消失。因此，其实是一个物体的所有量子成分的整体行为，共同完成了对所有成分的“量子测量”，也因此让我们周围的世界看起来变得正常。

为了观察到量子的特异性，你要么必须去一些不同寻常的地方（比如太阳的内层），要么凝视深层的微观世界（借助类似电子显微镜的工具），要么仔细地把量子粒子排成一行，以便它们能够步调一致地前进（正如当你躺在核磁共振成像扫描仪中时，你体内的氢原子核会按照相同的方式自旋——当关掉电磁铁后，原子核的自旋方向重新变得随机，量子一致性会再一次被抵消掉）。同理，分子随机化可以解释，为什么大多数时候没有量子力学我们也可以照样过日子：我们周围所有能看见的非生命物体，其量子特异性由于构成它们的分子持续地向各个方向随机运动而被抵消掉了。

注意是“大多数时候”而不是“总是”。正如舒尔滕所发现的那样，只有用到纠缠态这一精妙的量子理论时，才能解释高速三重态反应的反应速度。但高速三重态反应不过只是“快”而已，而且仅仅涉及两三个分子。要想解释鸟类的导航能力，量子纠缠必须对整只知更鸟施加持续的影响。因此，宣称鸟类磁性罗盘是量子纠缠的，与宣称量子纠缠在一个只涉及几个分子的特殊化学反应中起到了作用是两个完全不同级别的命题。因此，这个主张受到了相当数量的怀疑也就不足为奇了。

通常认为，活细胞主要是由水和生物分子组成的，并处于一种恒定的分子搅动状态中，而这种分子搅动会立刻测量并分散奇特的量子效应。此处的“测量”并不是让水分子或生物分子真的去完成测量（就像我们测量物体的重量或温度），然后把数值永久地记录在纸上、计算机的硬盘上，甚至仅仅是记在我们的大脑里。此处我们所讨论的“测量”是当一个水分子撞击在处于量子纠缠态中的一对粒子的其中之一上时所发生的事情：水分子随后的运动会受到该粒子先前状态的影响，因此，如果去研究水分子撞击后的运动，将能推理出与其相撞的粒子的一些性质。

从这个意义上来讲，水分子完成了一次“测量”，因为不管是否有人去检验，水分子的运动提供了一份关于被撞击的纠缠粒子对的记录。这种偶然的“测量”通常足以破坏纠缠态。因此，许多科学家认为，宣称精细的量子纠缠态能够在温热而复杂的活细胞内部保存下来，是一种不切实际的想法，近于疯癫。

但是，近几年来，我们关于这类事物的知识取得了巨大的进步——不仅仅是与鸟类相关。在许多生物现象中的确发现了诸如叠加态和隧穿之类的量子现象，从植物如何获得阳光到我们的细胞如何制造生物分子都涉及该内容。甚至连我们的嗅觉或我们从父母那里继承来的基因可能都要依赖奇异的量子世界。研究量子生物学的论文现在经常出现在世界上最权威的科学期刊上。尽管现在只有一小部分科学家坚持认为量子力学在生命现象中扮演的角色不是无足轻重的，而是至关重要的，但这个数量正在增长。而生命，在一个特殊的位置——量子世界与经典世界的边缘上，维持着奇异的量子特性。

我们于2012年9月在英国萨里大学举办了量子生物学国际研讨会，该领域中的绝大多数科学家都出席了这次会议（见图0-2），而我们竟然成功地把大家全安排进了一个小型阶梯教室里，那时，我们清楚地发现，研究量子生物学的科学家在数量上真的很少。但是，那种发现量子力学在日常生物现象中所起作用的兴奋，正在驱动着这个领域快速发展。为什么温热、湿润、混乱的生命体内能有量子特异性存在？这个谜题的答案已逐渐浮出水面，而对这个问题的研究可能会对新量子技术的发展产生巨大影响，量子生物学是目前最令人激动的研究领域。

不过，要想真正感受这些发现的重要性，我们必须先提一个貌似简单的问题——生命是什么。