科學雜談 當動物學會了量子力學！【科學雜談】

幾乎每個人都聽過量子力學 雖然還有一小部分人認爲量子力學是玄學 但實際上,從上個世紀初期開始 它就已經是人類生活的一部分了 通過描述電子運動所遵循的規則 量子力學奠定了整個化學、材料科學 甚至是電子學的基礎 過去半個世紀中的大多數技術進步 也都是以量子力學的數學規則爲核心的 如果沒有量子力學 就沒有半導體、沒有晶體管 也就沒有現在的微芯片和計算機 更不會有激光、智能手機和物理導航 不難想象一個沒有量子力學的世界是什麼樣子 不過,這只是量子力學最粗淺的應用 真正的量子時代還沒有到來 一切纔剛剛開始 前不久,激光驅動的可控核聚變已經實現了正收益 未來,分子級別的人造機器 會在工程、生化和醫藥領域開發出創造性的應用 量子計算機也會接入人工智能 甚至是科幻片中出現的傳統技術也很可能會實現 量子力學作爲宇宙的基礎法則 影響着宇宙的每一個角落 太陽就是一個很好的例子 我們知道太陽是一個核聚變反應堆 但很少有人提到 如果你想讓兩個質子靠得足夠近 近到足以發生聚變 那這兩個質子就必須穿透一堵亞原子尺度的磚牆 在經典物理學之下 粒子不可能穿牆而過 太陽更不可能發光 但正是玻璃二向性 使得質子通過一種被稱爲量子碎穿的過程 穿透了這堵牆 這種幽靈般的波動 讓地球上的生命沐浴在陽光之下 除了太陽之外 醫院裏的核磁共振儀器也是一個很好的例子 機器中的原子會同時往兩個方向自旋 這種疊加聽起來是反知覺的 但正是這種反知覺的行爲 幫助我們造出了細節極其豐富的軟組織圖像 量子力學除了神奇的碎穿和疊加 還有糾纏 糾纏似乎是一種更高級更玄學的技術 雖然已經有實驗證實 量子粒子確實有遠距離順時聯繫的能力 但我們仍然對其知之甚少 也沒有什麼拿得出手的應用 當你瞭解量子碎穿 量子疊加和量子糾纏 以及玻璃二象性之後 你就不得不懷疑這個世界的真實性 我們處在一個真實世界的可能性有多大呢 許多科學家認爲 可能性並不是零 但無限接近於零 這個問題的重點或許並不是這個世界 而是我們 我們是什麼 我們是一種生命和一隻鳥 一條魚或者是一隻螞蟻 差不多的生命 那生命是什麼呢 或者說在整個的量子理論中 生命到底處在一個什麼樣的位置 爲什麼我們在現實世界中 看不到虛無混沌的量子海洋呢 在量子力學中 最能揭示量子本質的就是玻璃二象性 你不觀察一切就都不存在 一旦你開始觀察開始測量 什麼同時做幾件事情啊 什麼穿牆而過 什麼幽靈般的糾纏就立刻不存在了 世界馬上就攤落成你看到的真實的樣子 宇宙中一切的實在都是因爲有人在看 測量是一個關鍵的動作 那測量到底有什麼特殊的意義呢 和生命又有着怎樣的聯繫呢 爲什麼測量能讓粒子從量子行爲探索成現實 答案是 因爲測量恰巧處於量子世界和經典世界的邊界之上 生命就是在量子世界的邊緣 你可以把生命形象成一塊 乾旱貧野的土地上出現了一條河 也可以是氣球上的一層易碎的薄膜 生命是什麼 費曼有句名言 說凡是我們做不出來的東西就是我們不理解的 人類現在可以造芯片 造航母 造宇宙飛船 但卻造不出一隻螞蟻 也造不出一棵樹苗 宇宙飛船和一隻螞蟻相比 談不上什麼水平 生命纔是真真正正的 超越魔法的高科技 前不久已經有研究證實 人類大腦的部分功能是量子化的 簡單來說 我們的大腦就是一臺量子計算機 這本身並沒有什麼新奇的 因爲這本就是一個以量子爲基礎法則的宇宙 隨便什麼東西都必須遵循量子法則 這裏面真正讓人驚訝的地方是 這種量子狀態居然能夠在溫熱潮溼 極端複雜的生物體內存在 因爲水分子隨便的一次撞擊 就相當於一次測量 所以科學家普遍認爲 生物體內的量子狀態是不可能存在的 但不管心理論有多麼的瘋狂 在事實面前你只能選擇接受 不僅是我們人類的大腦 2000年就有一項研究證實 引發色素可以在鳥類的眼睛中 創造一個電子羅盤 4年之後 《自然》雜誌上的一篇論文證實 是更鳥利用了量子糾纏技術 來進行環球導航 既然量子特性可以存在於太陽的核心 存在於顯微鏡和核磁共振成樣一致中 那存在於生物身上 又有什麼大驚小怪的呢 生物學其實是一種應用化學 而化學實際上就是一種應用物理學 所以刨根問底 所有東西都是物理學 也都可以是量子力學 上面所說的鳥類利用量子糾纏 來實現環球導航的論文 就是這門新型科學的典型代表 量子生物學 雖然大家已經接受了 量子生物學的成果 但爲什麼潮溼溫熱 生命特殊嗎 這是一堆石頭 我們和石頭的成分基本相同 那爲什麼石頭不能起來活動活動呢 退一步講 爲什麼我們不能用一堆石頭 來創造生命呢 2010年 曾有科學家宣稱 自己創造了生命 這在當時成爲了全世界關注的焦點 比前兩天的常溫超導還要火爆 但它只是修飾了一個現存的生命形態 並不是從頭創造了一個生命出來 我們的確造不出來 但自然界可以 組成我們的那些元素 幾乎都來自像太陽一般的恆星大熔爐 凡是我們做不出來的 就是我們不理解的 我想自然界或者說造物者 一定是完全理解生命的 不然它絕對造不出這大千世界 還有另外一點不得不說的 就是我們在研究這些問題的同時 必須要接受一個事實 那就是生命是必死的 人類 植耕鳥 都只不過是云云衆生中的滄海一粟 地球上的許多生物 都有着令人費解的技能 其中應用最廣泛的 應該就是基因遺傳 從經典的統計規律來看 基因的錯誤率應該是0.1% 但實際上基因的傳遞非常精確 錯誤率小於10的九次發分之一 薛定諤提出 遺傳應該是來自有序的有序 但當時對薛定諤理論的質疑 也是上面提到的 量子態不可能在溫熱溼潤 混亂的生命環境中存在 這是一個怎麼都繞不開的問題 還有生命體中的一種重要物質 酶 酶參與了每一個生物分子的合成與分解 不管是活的還是死的 過去針對酶的動態同位素實驗 甚至有科學家宣稱 量子碎穿是生物學中 最普遍也是最重要的激勵 正是這種來回碎穿的振動 給催化反應提供了動力 量子碎穿不是魔法也不是玄學 也不是生命發明的什麼把戲 自宇宙誕生以來 它就一直存在着 酶是生命的引擎 它精確地操控着基本粒子的運動 利用奇異的量子法則 創造了非凡的催化能力 除了基因和酶 生物圈最底層最基礎的光合反應 也掌握了來自量子世界的魔法 能量從光子到反應中心的效率 幾乎是百分之百 在理想的情況下 幾乎所有的葉綠素分子吸收的能量 都可以到達反應中心 你想想看 如果不是有什麼特殊的捷徑 絕大部分的能量都會在傳遞中消耗殆盡 量子節拍實驗已經證實 這種高效的能量傳遞 是因爲葉綠素分子 能執行一種特殊的檢索方式 這個過程被稱爲量子彈幕 實驗結果面臨巨大爭議 原因還是上面的老問題 實驗是在低溫條件下完成的 但葉子相對來說是高溫的 大家還是固執地認爲 量子相干性 不可能在複雜的生物細胞內有所體現 然而2009年的一項新研究 在另一種細菌的光合作用系統中 也檢測到了量子節拍 具體的研究我們不需要了解太多 我們只需要知道 這次實驗是在常溫下完成的 也就是植物和微生物進行光合作用的溫度 溫熱潮溼複雜的生物體內 真的可以保持量子特性 量子科技加持的光合作用 成就了這個五彩斑斕的世界 也幫助蘋果樹長出了蘋果 牛頓曾經思考蘋果爲何落地 但他就忽略了一個更重要的問題 爲什麼會有蘋果 在那個時代 生命超越了科學的範疇 是一種任何科學都無法解釋的超自然現象 對於這個問題 菲曼給出了幽默的解釋 構成樹木的主要元素是碳 這些元素從何而來呢 答案是空氣 樹中的碳元素來自空氣中的二氧化碳 是樹木吸收了空氣中的二氧化碳 排出了氧 留下了碳 現在我們知道 二氧化碳中的碳元子和氧元子的結合 是非常緊密的 那爲什麼樹木可以讓兩者輕易地分開呢 是陽光 氧元子在陽光照射下與碳元子分離 留下的碳元素再加上水 就有了一棵參天大樹 水是光合作用的原料 光合作用最獨特的地方就是 它是自然界中 唯一可以把水當燃料的反應過程 如果把上面的動物和一棵樹 放在一塊對比 你就會發現 在這層皮囊之下 動物植物之間的區別 真的不是很大 它們最根本的區別 人類不是一直希望開發出綠色能源嗎 你隨便找一片葉子 它都可以燒水運轉 這一點 人類還是差得太遠了 這個世界主宰萬物的就是量子法則 我們平常所說的牛頓和同情學法則 只不過是一個濾鏡 一個脆香乾的濾鏡 帶上這層濾鏡之後 可以讓我們從 詭異混沌的量子世界中 看到所謂的真實 上面說的煤 鳥類導航以及光合作用 但自然界中的量子科技 遠不止於此 只要我們仔細研究 任何事物都可以找到 量子力學的蛛絲馬跡 最後我們再舉一個比較有趣的例子 嗅覺 我們知道視力殘缺的鯊魚 可以在一公里之外 聞到一滴血的味道 狗鼻子也很靈敏 各種化學物質 甚至是懷了雙胞胎 或者是得了抑鬱症 它都可以分辨 熊的鼻子就更厲害了 比狗還要零七倍 二十公里外的屍體都能把它招來 北極客戶團隊就曾提到 如果不小心留下哪怕是一點點的人道物 還有 一隻飛蛾可以隔着十公里聞到配偶 更絕的是田鼠 在曾經的一項實驗中 田鼠會避開幼兒中 含有白友分泌物的陷阱 但令人費解的是 白友五千年前 就已經在這裏絕跡了 在關於嗅覺的研究中 小丑魚可能是最廣爲人知的 這可能要歸功於 海底損動員中的小丑魚尼莫 幼年的小丑魚會隨着羊流 飄出很遠的距離 但一段時間以後呢 它會回到自己的家 要知道 絕大部分的海牀上 是沒有視覺提示的 沙子上只有一些小石頭 偶爾可能會爬過一兩隻螃蟹 那小丑魚是如何 精確的找到回家之路的呢 現代研究認爲 小丑魚是通過嗅覺 來進行遠距離導航的 那我們人類的嗅覺是不是很差呢 其實也還好 雖然我們的基因庫中 只有四百個嗅覺感受器基因 但我們能分辨出 一萬種不同的氣味 一些現代研究甚至認爲 人類可以分辨出數億種氣味 這已經遠超光譜儀了 這裏還有一個冷知識 我們吃飯感受到的味道 有90%都是聞出來的 因爲味覺就是酸甜苦辣鹹 幾種不同味道的組合而已 再加上嗅覺 就可以昇華出幾乎無限的層次 那鯊魚 人類 狗 熊 飛蛾 甜鼠 小丑魚 具體都是如何分辨這些氣味的呢 目前的模型還不足以說明 嗅覺一定有量子技術 因爲還沒有實驗直接檢測到 量子脆穿參與了嗅覺作用 不過到目前爲止 電子的非彈性量子脆穿 是已知唯一能合理解釋蛋白質 如何感受氣味分子振動的機制 另外 我們現在還沒有掌握嗅覺感受器的結構 不過好在這塊的研究比較多 23年3月15號 《三人雜誌》上的一項新研究 就解釋了氣味受體 識別氣味的結構基礎 總之 現在我們要在結論上加上可能兩個字 這些生物可能是通過量子法則 來截獲物質實在的信息 近日感知到了這個真實的世界 可以預見的是 未來還會出現更多近年理論 從量子的角度上看基因的複製 生命的活動 甚至是意識形態 都是一件非常有趣的事情 好 那今天我們就先說到這 感謝您的觀看 我們下期見