Lee公子 2017年2月3日 于昆明
摘自《神秘的量子生命》[英]吉姆•艾尔－哈利利 约翰乔•麦克法登 著
** 摘自原书《结语 我们一定会创造出遵循量子理论的新生命》 **
"怪异"，是人们最常用于形容量子力学的词。而它也的确称得上怪异。量子力学认为，在某些情况下，物体能够穿过不通透的障碍物、能够同时出现在两个位置、遥遥相隔的两个物体之间存在"超距作用"，这样的学科怎么说也不能叫寻常。但是量子力学理论的数学框架逻辑严谨，它能够准确描述微观世界中基本粒子和基本力的性质。因此，量子力学研究的对象是物理学世界的基石。离散能级、波粒二象性、相干性、纠缠态以及隧穿并不只是存在于科学家们考究的实验室里，也不仅仅是科学家故弄玄虚的概念而已。这些现象与"奶奶做的苹果派"一样真实存在，它们甚至就发生在"苹果派"当中。实际上，量子力学一点都不怪异，怪异的是量子力学所描述的这个世界本身。
物理学的三大层次
我们发现，大多数量子世界的独特现象都在宏观物体内部混乱的热力学环境中丧失殆尽。这种过程被称为退相干，我们熟悉的经典世界就是退相干的产物。所以物理学的世界可以被分为三个层次（见图）。表面的第一层是宏观世界，这个世界里的日常物体，比如足球、火车和植物等，它们的行为遵循牛顿运动力学法则，我们可以用速度、加速度、动量和力等熟悉的概念来描述它们。在此之下，是描述液体、气体行为的热力学世界。在这一层里牛顿的经典法则依旧适用，但是我们在第1章里说过，薛定谔指出，这种适用性是基于对万亿个各自进行无序运动粒子的统计学处理，是"来自无序的有序"。热力学法则旨在描述类似气体受热如何膨胀、蒸汽如何做功驱动火车这样的现象。最深的第三层，也就是物理学的基石：量子世界。在这个维度里，原子、分子以及组成它们的所有成分粒子都遵循精确而有序的量子规则，经典力学的影响已经鞭长莫及。
不过，大多数的量子现象通常都看不见。只有在类似于双缝实验那样的情景中，当我们仔细观察单个粒子的运动时才能看到一点量子力学的端倪。退相干滤去了宏观世界中大型物体的量子力学现象，这也就是为什么量子世界对我们来说显得非常陌生的原因。 相对来说，大多数生物体都称得上是体形巨大了。它们的运动和火车、足球以及炮弹一样，都符合牛顿力学法则：发射一枚炮弹的人与炮弹运动的方式都遵循牛顿力学。在稍微深一点的层面上，组织和细胞的生理活动遵循着热力学定律：肺的膨胀和收缩与气球的膨胀和收缩没有本质区别。所以乍看之下，你可能会认为知更鸟、鱼类、恐龙、苹果树、蝴蝶、人类以及其他经典宏观物体都与量子力学没有什么关系，事实上多数科学家也是这么认为的。但是，我们已经看到生命现象里有诸多的例外：生命的根须穿透牛顿力学的土壤，贯穿浑浊的热力学地下河，深深植根于量子力学的地底岩层内。宏观的生物体内仍然存在量子相干性、叠加态、隧穿和纠缠态现象。我们在这结语中想要探讨的是：生物体是如何做到的？
我们在前面的探讨中已经部分回答了这个问题。埃尔温·薛定谔在70多年前就指出生命与无机世界的不同之处在于，其精确到分子水平的结构性与有序性。这种有序性赋予了生物体一种连接分子和宏观世界的有效手段，如此一来，发生在分子水平的量子事件就能够对生物整体施加影响：这种量子力学对宏观世界的放大效应是量子力学的另一位先驱——帕斯夸尔·约尔旦提出的观点。
当然，在薛定谔和约尔旦论述生物学的时代，还没有人知道基因的构成，也没有人知道酶或者光合作用的工作原理。在接下来的半个世纪里，大量的分子生物学研究绘制了一幅有关生物分子结构的细致图谱，我们的眼界甚至深入到DNA以及蛋白质内的单个原子。量子力学先驱们富有预见性的洞察力终于获得了世人迟来的肯定与理解。我们渐渐意识到，即便已经从原子水平上阐明了光合系统、酶系统、呼吸链以及基因的结构，但是如果没有量子运动的参与，那么维持我们生命的呼吸系统、构建我们身体的酶系统以及制造我们星球上整个生物圈的光合作用系统都依旧只是天方夜谭。
科学家对量子力学如何参与生命过程依然疑惑重重，其中最主要的困惑是，生物体如何能够在温暖、潮湿的细胞内保持粒子的相干性。蛋白质和DNA不是机器，它们与物理实验室里测量量子效应的机械设备不同，不是由标准化的金属零件拼装而成的。蛋白质和DNA是黏糊糊、有韧性的生物分子，它们时刻在进行热力学振动，也时刻受到周围其他粒子震荡的冲撞，我们称这种持续冲撞的阻力为分子噪音。组成DNA和蛋白质的原子在分子噪音的震荡和冲击下，本应该发生退相干。生物大分子如何能够维持其脆弱的相干性一直是个谜。不过，你在接下来的讨论里会看到，这个谜题（连同生命本质）的神秘面纱，正在被渐渐掀起。这些新发现很可能在未来推动量子技术的发展。
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