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量子力学,在生命的世界里

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量子力学,在生命的世界里

雪花又一年 2018-05-04 13:52:00 浏览324 评论0

摘要: 本文由英国萨里大学遗传学教授Johnjoe McFadden所写,果壳网翻译。 量子力学中最著名的那个思想实验的要旨就 是,量子世界完全不同于我们所熟悉的世界。奥地利物理学家埃尔温•薛定谔(Erwin Schrödinger)让我们想象一只猫放在一个箱子里。

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本文由英国萨里大学遗传学教授Johnjoe McFadden所写,果壳网翻译。



量子力学中最著名的那个思想实验的要旨就 是,量子世界完全不同于我们所熟悉的世界。奥地利物理学家埃尔温•薛定谔(Erwin Schrödinger)让我们想象一只猫放在一个箱子里。这只猫的命运和量子世界紧密相连,因为箱子里放有毒药,但只有当一个放射性原子衰变的时候才会 释放出来。量子力学说,在被观测之前,这个原子一定处于一个独特的状态——“叠加态”,在这个状态下,原子既衰变了也没有衰变。更进一步,因为猫是否能存 活取决于这个原子的状态,这同时也表示这只猫也处于一个既死又活的叠加态——直到有人打开箱子来观察它为止。这只猫的性命取决于原子的状态,而这个原子的 状态却悬而未决。

但没有人真的相信这只猫可以既死了又活着。原子这样的基本粒子有奇怪的量子特性(比如同时存在两种状态,同时处于两个位置,穿过本应无法透过的屏障等等),而猫这样常见的经典物体却不会有,两者之间存在极其重大的区别。为什么呢?简而言之,这些奇怪的量子特性太脆弱了。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy薛定谔的猫不太可能真的既死又活——但它体内会不会有别的量子叠加态呢?图片来源:egotailor.com


量子力学强调所有的粒子同时也是波。但是如果你想看到奇怪的量子效应,这些波必须要排列整齐,以便波峰和波谷可以对齐。物理学家将这种特性叫做“相 干性”,就像是合调的音符。如果波没有重叠,波峰和波谷就会互相抵消,摧毁相干性,你也不会看到任何奇怪的事。另一方面,如果只有一个粒子的波,它就很容 易保持合调——只要和自己列好队就行了。但要让几百、几百万甚至几百亿粒子的波排列整齐,几乎是不可能的事情。这样一来,这些怪事在大物体内部就被抵消 了。这也是为什么对于猫来说没什么事是不确定的。


然而,薛定谔1944年的《生命是什么》(What Is Life)一书中却写道,生命中一些最为基础的砖石,必定会像肉眼看不到的放射性原子一样,是一种量子实体,具有反直觉的特征。实际上薛定谔认为,生命和 非生命之所以不同,正是因为生命存在于量子世界和经典世界之间的中间地带——我们可以称之为“量子边界”。

“有序中诞生有序”

薛定谔的观点是基于以下这些看起来矛盾的事实。尽管经典定律——从牛顿力学定律、热力学定律到电磁学定律——看起来都极其有序,但实际上,它们都基 于无序。设想有一个气球,里面充满了数万亿进行无序运动的气体分子,不断撞击着彼此和气球内壁。但是,当你把它们的运动加和再平均后,你就得到了气体定 律,而用这一定律可以准确地推导出气球受热后会膨胀。薛定谔将这种定律称作“无序中诞生的有序”,以此来说明宏观上的规律,其实依赖于粒子水平上的混乱和 不可预测。

那这和生命有什么关系呢?其实,薛定谔对遗传非常感兴趣。1944年,当时距沃森和克里克揭示DNA分子的结构尚有10年时间,基因的物理本质还是 一个谜。即使如此,人们已经知道了基因要想一代一代传下去,就必然具有极高的保真度:出错的概率小于十亿分之一。这是个谜,因为当时已经知道基因非常小 ——薛定谔认为,基因小到不能依赖“无序中诞生的有序”定律来保证其复制的准确性。他提出,这一过程必定有一个“更复杂的有机分子”参与其中,在这个大分 子中,“每个原子、每组原子,都扮演着各自的角色”。


薛定谔将这些新结构称为“非周期晶体”。他声称它们一定是遵守量子规律而非经典法则,并进一步提出基因突变可能是晶体内的量子跃迁导致的。他接着提 出,生命的许多特征或许建立在一个新的物理原则上。在非生命的世界里,如我们所知,宏观规律通常来自无序的分子:有序来自无序。但也许——薛定谔说——生 命世界里的宏观规律反映了另一些东西:量子级别的神秘规律。他把这种推测称为“有序来自有序”。

他是对的吗?


十年之后,沃森和克里克发现了双螺旋结构。基因的成分原来是单分子DNA——一条长链分子,上面像珠子一样穿满了碱基。它完全就是一个非周期晶体, 只是没叫这个名字而已。并且,就像薛定谔预测的,“每个原子团”的的确确都扮演着“一个独立角色”,甚至单个质子都发挥它们的量子特性,确定各自的碱基。 整个科学史上恐怕找不出几个比这更有先见之明的预测了。你眼睛的颜色,你鼻子的形状,你的性格、智力甚至患病的可能,都在量子级别编码。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy非周期晶体本身后来成为了另一个同样迷人的领域。图片来源:www.complexphotonics.org


可是,基于沃森和克里克发现而诞生的分子生物学这门新科学,在很大程度上依然执著于经典物理学。这在20世界后半叶运转的相当好,此时的生物学家和 生物化学家专注于新陈代谢这样的主题,而它正是大量粒子基于“有序来自无序”原理运转的产物。但21世纪,随着生物学的注意力转向越来越小的系统——甚至 活细胞里单独的原子和分子——量子力学的影响再一次浮现出来。新近的实验表明,一些生命最基础的进程确确实实是依赖于自现实的量子暗流中涌出的奇特性质。

从量子嗅觉到量子导航

让我们从几个相对边缘的例子说起——比如嗅觉。关于嗅觉的传统理论认为,气味分子会被味觉受体探测到,靠的是鼻子内一种钥匙-锁结构:气味分子与受 体的空隙结合,然后触发反应,就像钥匙转动了锁。这是一种令人愉快、非常直观的学说,但是它解释不了某些现象——例如,外形相似的分子经常会闻起来不一 样,反之亦然。经过修正的学说认为,感受器也许是对分子振动做出回应。在1996年这个想法在量子学层面得到了进一步的解释——生物物理学家卢卡•都灵 (Luca Turin)提出振动可能会促进电子的量子隧道效应。打开嗅觉的“锁”。嗅觉的量子理论也许听起来很奇怪,但最近出现了支持的证据:果蝇可以分辨形状完全 相同、只是用了同一元素不同同位素的气味分子,这用量子力学之外的理论很难解释清楚。


或者考虑一下这个问题:我们已知一些鸟类和其他动物会通过感知地球上非常微弱的磁场来导航,但它们是怎么办到的,一直是个谜。很难想象到如此微弱的 磁场如何在动物体内产生一个信号。在另一个关于欧亚鸲的研究中出现了更深层次的问题,这种鸟的导航系统依赖光线,并且不同于常规的指南针,它探测的不是磁 感线的朝向,而是磁感线相对于地表的角度。没有人知道为什么。


直到20世纪70年代,德国化学家克劳斯•舒特恩(Klaus Schulten)发现一些化学反应产生的粒子对会保持连接状态,靠的是一种特殊的量子属性——量子缠结。量子缠结允许远距离的粒子维持即时通讯,无论它 们之间有多远,即便被扔在银河系的两端,它们之间仍然能难以理解地相互关联。量子缠结是如此诡异以至于提出黑洞和时空扭曲理论的阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)本人说这是“鬼魅似的远距作用”。但数以百计的实验证明这是真实的。


舒特恩发现,缠结的粒子对会对磁场的强度和方向极其敏感。他认为神秘的鸟类导航也许用到了粒子的量子纠缠。几乎没有人认同这个观点,但在2000年 时,舒特恩和他的学生索斯藤•丽兹(Thorsten Ritz)写了一篇很有影响力的文章,这篇文章展示了在鸟的眼睛中,光是如何影响量子缠结导航的。在2004年,丽兹与著名鸟类学家沃尔夫冈和罗斯维塔•威尔科奇夫妇合作,他们找到了能令人信服的实验证据,证明欧亚鸲每年在全球范围内迁徙时,的确存在爱因斯坦所说的“鬼魅”作用。


毫无疑问,导航和嗅觉非常重要,但这些对地球上的生命来说可能还谈不上核心需求。那么我们来看看更主要的是什么。

会传送的电子和长眼睛的光

比方说酶。它们是生命世界的老黄牛,能够加速化学反应,在几秒内就完成要花数千年才能完成的过程。酶往往能让反应加快几万亿倍,但它是怎么做到这一 点的,一直是个谜。不过现在,加州伯克利大学的朱迪思•克兰曼(Judith Klinman)和曼彻斯顿大学的奈杰尔•斯克鲁顿(Nigel Scrutton)等人发现,酶有一个神奇的量子小窍门——隧道效应。简单来说,酶在生物化学反应中促进了这样个一过程:电子和质子从生化分子的某处消 失,同一瞬间在另一个地方出现,而不必经过中间的任何地方——也就是某种意义上的“传送”。


这都是非常基本的东西。这个星球上每个生物的每个细胞中的每一个生物分子,都是酶创造的。酶比任何其他成分(哪怕DNA,毕竟有些细胞没有DNA也能活)都更有资格称为生命的必备成分。而它们靠浸入量子世界来帮助我们存活下去。


我们还可以把论证再往前推一步。光合作用是地球上最重要的生化反应。它负责将光,空气,水和少量矿物质转变成草,树木,粮食以及以植物或食草动物为 食的我们。起初是由叶绿素分子捕获光能。该光能被转化为电能,然后这些电能将被输送到被称为反应中心的生化工厂,在那里它们被用来固定二氧化碳并将其转化 成植物物质。长期以来,这种能源运输的过程让研究者们着迷,因为它可以如此高效——接近100% 。绿叶运输能量的过程是如何做到比我们最先进的技术还要好的?


在加州大学伯克利分校,格雷厄姆•佛莱明(Graham Fleming)的实验室已经利用“飞秒光谱技术”对光合作用的效率问题进行了十多年的研究。从本质上说,这个研究小组就是在极短的时间内往光合作用复合 物上照射激光,以找出光子抵达光合反应中心的路径。早在2007年,这个小组就研究了细菌中的FMO复合物。在这个复合物中,光子的能量需要通过一簇叶绿 素分子。人们曾认为在这个过程中,光子会如同带电粒子一样从一个叶绿素分子跳到另一个叶绿素分子上,就好比薛定谔的猫在横渡溪流时可能会从一块石头跳到另 一块上一样。但这种解释并不完全说得通。光子可没有方向感,大多数光能应该会漫无目的地往错误的方向传递,最终一头栽到“溪水”里。可是,在植物和能进行 光合作用的细菌中,几乎全部光能都传到了光合反应中心。


当研究小组向FMO系统发射激光时,他们观察到了古怪的光回波——像是打着节奏一般的波。这些“量子鼓点”意味着光子的能量不是通过单一路径传入光 合系统的,而是利用量子相干性同时从所有可能的路径进行传递。想象一下,薛定谔的猫咪在面对溪流时,不知怎的将自己分成了众多完全一样的、具有量子相干性 的小猫咪。它们从所有可能的路线跳过一个个叶绿素砾石,来探寻最快捷的路线。现在,量子鼓点已经在多种不同的光系统中被侦测到,像菠菜这样的普通植物的光 系统也不例外。这样看来,为了让我们有吃的,生物界最重要的反应都在动用量子世界的资源了呀。


如果对你来说,这样都还不够的话,我们最后来看看演化机制本身吧。薛定谔认为突变可能与一种量子跃迁有关。在沃森和克里克那篇经典的DNA文章中, 他们提出基因突变可能牵扯到核苷酸碱基的“互变异构”——互变异构过程被认为与量子隧穿效应有关。在1999年,吉姆•艾尔-卡里利(Jim Al-Khalili)和我觉得质子隧穿可能解释一种特别的突变类型——所谓的“适应性突变”。当这种突变能为个体带来好处时,这种突变似乎就会更加频繁 地发生。我们当时的论文完全是理论性的,但我们现在正在试图为DNA中的质子隧穿找到实验证据。所以,请拭目以待。

尽管有了这么多量子解释来阐述令人费解的生命现象,我们却发现自己陷入了更深的谜团中。量子相干性是个极度脆弱的现象,依赖于粒子波的步调一致。为 了保持量子相干性,物理学家们通常不得不将系统置于几乎完全真空的状态,并且将系统降温至接近绝对零度,以停止任何热驱动的分子运动。分子振动是量子相干 性的死敌。


那如果是那样的话,为什么生物能够设法在足够长的时间里保持自己的分子秩序,以在温暖潮湿的细胞环境中也能上演量子戏法?这仍旧是个深奥的谜题。最 近有研究提供了一项诱人提示:生物不但没有试图避免那分子的“风暴”,反而接受了它们。生物就像是利用疾风狂潮来保持船体直立着驶往正确航向的船长一样。 正如薛定谔所预言的那样,生命是沿着量子边界——经典世界与量子世界间的狭窄“溪流”——在悠然航行。 


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:罗恩·考恩
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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