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（果殼翻譯學(xué)習(xí)組/譯）量子力學(xué)中最著名的那個思想實驗的要旨就是，量子世界完全不同于我們所熟悉的世界。奧地利物理學(xué)家埃爾溫•薛定諤（Erwin Schrödinger）讓我們想象一只貓放在一個箱子里。這只貓的命運和量子世界緊密相連，因為箱子里放有毒藥，但只有當(dāng)一個放射性原子衰變的時候才會釋放出來。量子力學(xué)說，在被觀測之前，這個原子一定處于一個獨特的狀態(tài)——“疊加態(tài)”，在這個狀態(tài)下，原子既衰變了也沒有衰變。更進一步，因為貓是否能存活取決于這個原子的狀態(tài)，這同時也表示這只貓也處于一個既死又活的疊加態(tài)——直到有人打開箱子來觀察它為止。這只貓的性命取決于原子的狀態(tài)，而這個原子的狀態(tài)卻懸而未決。

但沒有人真的相信這只貓可以既死了又活著。原子這樣的基本粒子有奇怪的量子特性（比如同時存在兩種狀態(tài)，同時處于兩個位置，穿過本應(yīng)無法透過的屏障等等），而貓這樣常見的經(jīng)典物體卻不會有，兩者之間存在極其重大的區(qū)別。為什么呢？簡而言之，這些奇怪的量子特性太脆弱了。

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薛定諤的貓不太可能真的既死又活——但它體內(nèi)會不會有別的量子疊加態(tài)呢？

量子力學(xué)強調(diào)所有的粒子同時也是波。但是如果你想看到奇怪的量子效應(yīng)，這些波必須要排列整齊，以便波峰和波谷可以對齊。物理學(xué)家將這種特性叫做“相干性”，就像是合調(diào)的音符。如果波沒有重疊，波峰和波谷就會互相抵消，摧毀相干性，你也不會看到任何奇怪的事。另一方面，如果只有一個粒子的波，它就很容易保持合調(diào)——只要和自己列好隊就行了。但要讓幾百、幾百萬甚至幾百億粒子的波排列整齊，幾乎是不可能的事情。這樣一來，這些怪事在大物體內(nèi)部就被抵消了。這也是為什么對于貓來說沒什么事是不確定的。

然而，薛定諤1944年的《生命是什么》（What Is Life）一書中卻寫道，生命中一些最為基礎(chǔ)的磚石，必定會像肉眼看不到的放射性原子一樣，是一種量子實體，具有反直覺的特征。實際上薛定諤認為，生命和非生命之所以不同，正是因為生命存在于量子世界和經(jīng)典世界之間的中間地帶——我們可以稱之為“量子邊界”。

“有序中誕生有序”

薛定諤的觀點是基于以下這些看起來矛盾的事實。盡管經(jīng)典定律——從牛頓力學(xué)定律、熱力學(xué)定律到電磁學(xué)定律——看起來都極其有序，但實際上，它們都基于無序。設(shè)想有一個氣球，里面充滿了數(shù)萬億進行無序運動的氣體分子，不斷撞擊著彼此和氣球內(nèi)壁。但是，當(dāng)你把它們的運動加和再平均后，你就得到了氣體定律，而用這一定律可以準確地推導(dǎo)出氣球受熱后會膨脹。薛定諤將這種定律稱作“無序中誕生的有序”，以此來說明宏觀上的規(guī)律，其實依賴于粒子水平上的混亂和不可預(yù)測。

那這和生命有什么關(guān)系呢？其實，薛定諤對遺傳非常感興趣。1944年，當(dāng)時距沃森和克里克揭示DNA分子的結(jié)構(gòu)尚有10年時間，基因的物理本質(zhì)還是一個謎。即使如此，人們已經(jīng)知道了基因要想一代一代傳下去，就必然具有極高的保真度：出錯的概率小于十億分之一。這是個謎，因為當(dāng)時已經(jīng)知道基因非常小——薛定諤認為，基因小到不能依賴“無序中誕生的有序”定律來保證其復(fù)制的準確性。他提出，這一過程必定有一個“更復(fù)雜的有機分子”參與其中，在這個大分子中，“每個原子、每組原子，都扮演著各自的角色”。

薛定諤將這些新結(jié)構(gòu)稱為“非周期晶體”。他聲稱它們一定是遵守量子規(guī)律而非經(jīng)典法則，并進一步提出基因突變可能是晶體內(nèi)的量子躍遷導(dǎo)致的。他接著提出，生命的許多特征或許建立在一個新的物理原則上。在非生命的世界里，如我們所知，宏觀規(guī)律通常來自無序的分子：有序來自無序。但也許——薛定諤說——生命世界里的宏觀規(guī)律反映了另一些東西：量子級別的神秘規(guī)律。他把這種推測稱為“有序來自有序”。

他是對的嗎？

十年之后，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了雙螺旋結(jié)構(gòu)?；虻某煞衷瓉硎菃畏肿覦NA——一條長鏈分子，上面像珠子一樣穿滿了堿基。它完全就是一個非周期晶體，只是沒叫這個名字而已。并且，就像薛定諤預(yù)測的，“每個原子團”的的確確都扮演著“一個獨立角色”，甚至單個質(zhì)子都發(fā)揮它們的量子特性，確定各自的堿基。整個科學(xué)史上恐怕找不出幾個比這更有先見之明的預(yù)測了。你眼睛的顏色，你鼻子的形狀，你的性格、智力甚至患病的可能，都在量子級別編碼。

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非周期晶體本身后來成為了另一個同樣迷人的領(lǐng)域。

可是，基于沃森和克里克發(fā)現(xiàn)而誕生的分子生物學(xué)這門新科學(xué)，在很大程度上依然執(zhí)著于經(jīng)典物理學(xué)。這在20世界后半葉運轉(zhuǎn)的相當(dāng)好，此時的生物學(xué)家和生物化學(xué)家專注于新陳代謝這樣的主題，而它正是大量粒子基于“有序來自無序”原理運轉(zhuǎn)的產(chǎn)物。但21世紀，隨著生物學(xué)的注意力轉(zhuǎn)向越來越小的系統(tǒng)——甚至活細胞里單獨的原子和分子——量子力學(xué)的影響再一次浮現(xiàn)出來。新近的實驗表明，一些生命最基礎(chǔ)的進程確確實實是依賴于自現(xiàn)實的量子暗流中涌出的奇特性質(zhì)。

從量子嗅覺到量子導(dǎo)航

讓我們從幾個相對邊緣的例子說起——比如嗅覺。關(guān)于嗅覺的傳統(tǒng)理論認為，氣味分子會被味覺受體探測到，靠的是鼻子內(nèi)一種鑰匙-鎖結(jié)構(gòu)：氣味分子與受體的空隙結(jié)合，然后觸發(fā)反應(yīng)，就像鑰匙轉(zhuǎn)動了鎖。這是一種令人愉快、非常直觀的學(xué)說，但是它解釋不了某些現(xiàn)象——例如，外形相似的分子經(jīng)常會聞起來不一樣，反之亦然。經(jīng)過修正的學(xué)說認為，感受器也許是對分子振動做出回應(yīng)。在1996年這個想法在量子學(xué)層面得到了進一步的解釋——生物物理學(xué)家盧卡•都靈（Luca Turin）提出振動可能會促進電子的量子隧道效應(yīng)。打開嗅覺的“鎖”。嗅覺的量子理論也許聽起來很奇怪，但最近出現(xiàn)了支持的證據(jù)：果蠅可以分辨形狀完全相同、只是用了同一元素不同同位素的氣味分子，這用量子力學(xué)之外的理論很難解釋清楚。

或者考慮一下這個問題：我們已知一些鳥類和其他動物會通過感知地球上非常微弱的磁場來導(dǎo)航，但它們是怎么辦到的，一直是個謎。很難想象到如此微弱的磁場如何在動物體內(nèi)產(chǎn)生一個信號。在另一個關(guān)于歐亞鴝的研究中出現(xiàn)了更深層次的問題，這種鳥的導(dǎo)航系統(tǒng)依賴光線，并且不同于常規(guī)的指南針，它探測的不是磁感線的朝向，而是磁感線相對于地表的角度。沒有人知道為什么。

直到20世紀70年代，德國化學(xué)家克勞斯•舒特恩（Klaus Schulten）發(fā)現(xiàn)一些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的粒子對會保持連接狀態(tài)，靠的是一種特殊的量子屬性——量子纏結(jié)。量子纏結(jié)允許遠距離的粒子維持即時通訊，無論它們之間有多遠，即便被扔在銀河系的兩端，它們之間仍然能難以理解地相互關(guān)聯(lián)。量子纏繞是如此詭異以至于提出黑洞和時空扭曲理論的阿爾伯特•愛因斯坦（Albert Einstein）本人說這是“鬼魅似的遠距作用”。但數(shù)以百計的實驗證明這是真實的。

舒特恩發(fā)現(xiàn)，纏結(jié)的粒子對會對磁場的強度和方向極其敏感。他認為神秘的鳥類導(dǎo)航也許用到了粒子的量子糾纏。幾乎沒有人認同這個觀點，但在2000年時，舒特恩和他的學(xué)生索斯藤•麗茲（Thorsten Ritz）寫了一篇很有影響力的文章，這篇文章展示了在鳥的眼睛中，光是如何影響量子糾纏導(dǎo)航的。在2004年，麗茲與著名鳥類學(xué)家沃爾夫?qū)土_斯維塔•威爾科奇夫婦合作，他們找到了能令人信服的實驗證據(jù)，證明歐亞鴝每年在全球范圍內(nèi)遷徙時，的確存在愛因斯坦所說的“鬼魅”作用。

毫無疑問，導(dǎo)航和嗅覺非常重要，但這些對地球上的生命來說可能還談不上核心需求。那么我們來看看更主要的是什么。

會傳送的電子和長眼睛的光

比方說酶。它們是生命世界的老黃牛，能夠加速化學(xué)反應(yīng)，在幾秒內(nèi)就完成要花數(shù)千年才能完成的過程。酶往往能讓反應(yīng)加快幾萬億倍，但它是怎么做到這一點的，一直是個謎。不過現(xiàn)在，加州伯克利大學(xué)的朱迪思•克蘭曼（Judith Klinman）和曼徹斯頓大學(xué)的奈杰爾•斯克魯頓（Nigel Scrutton）等人發(fā)現(xiàn)，酶有一個神奇的量子小竅門——隧道效應(yīng)。簡單來說，酶在生物化學(xué)反應(yīng)中促進了這樣個一過程：電子和質(zhì)子從生化分子的某處消失，同一瞬間在另一個地方出現(xiàn)，而不必經(jīng)過中間的任何地方——也就是某種意義上的“傳送”。

這都是非?；镜臇|西。這個星球上每個生物的每個細胞中的每一個生物分子，都是酶創(chuàng)造的。酶比任何其他成分（哪怕DNA，畢竟有些細胞沒有DNA也能活）都更有資格稱為生命的必備成分。而它們靠浸入量子世界來幫助我們存活下去。

我們還可以把論證再往前推一步。光合作用是地球上最重要的生化反應(yīng)。它負責(zé)將光，空氣，水和少量礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成草，樹木，糧食以及以植物或食草動物為食的我們。起初是由葉綠素分子捕獲光能。該光能被轉(zhuǎn)化為電能，然后這些電能將被輸送到被稱為反應(yīng)中心的生化工廠，在那里它們被用來固定二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化成植物物質(zhì)。長期以來，這種能源運輸?shù)倪^程讓研究者們著迷，因為它可以如此高效——接近100％ 。綠葉運輸能量的過程是如何做到比我們最先進的技術(shù)還要好的？

在加州大學(xué)伯克利分校，格雷厄姆•佛萊明（Graham Fleming）的實驗室已經(jīng)利用“飛秒光譜技術(shù)”對光合作用的效率問題進行了十多年的研究。從本質(zhì)上說，這個研究小組就是在極短的時間內(nèi)往光合作用復(fù)合物上照射激光，以找出光子抵達光合反應(yīng)中心的路徑。早在2007年，這個小組就研究了細菌中的FMO復(fù)合物。在這個復(fù)合物中，光子的能量需要通過一簇葉綠素分子。人們曾認為在這個過程中，光子會如同帶電粒子一樣從一個葉綠素分子跳到另一個葉綠素分子上，就好比薛定諤的貓在橫渡溪流時可能會從一塊石頭跳到另一塊上一樣。但這種解釋并不完全說得通。光子可沒有方向感，大多數(shù)光能應(yīng)該會漫無目的地往錯誤的方向傳遞，最終一頭栽到“溪水”里。可是，在植物和能進行光合作用的細菌中，幾乎全部光能都傳到了光合反應(yīng)中心。

當(dāng)研究小組向FMO系統(tǒng)發(fā)射激光時，他們觀察到了古怪的光回波——像是打著節(jié)奏一般的波。這些“量子鼓點”意味著光子的能量不是通過單一路徑傳入光合系統(tǒng)的，而是利用量子相干性同時從所有可能的路徑進行傳遞。想象一下，薛定諤的貓咪在面對溪流時，不知怎的將自己分成了眾多完全一樣的、具有量子相干性的小貓咪。它們從所有可能的路線跳過一個個葉綠素礫石，來探尋最快捷的路線?，F(xiàn)在，量子鼓點已經(jīng)在多種不同的光系統(tǒng)中被偵測到，像菠菜這樣的普通植物的光系統(tǒng)也不例外。這樣看來，為了讓我們有吃的，生物界最重要的反應(yīng)都在動用量子世界的資源了呀。

如果對你來說，這樣都還不夠的話，我們最后來看看演化機制本身吧。薛定諤認為突變可能與一種量子躍遷有關(guān)。在沃森和克里克那篇經(jīng)典的DNA文章中，他們提出基因突變可能牽扯到核苷酸堿基的“互變異構(gòu)”——互變異構(gòu)過程被認為與量子隧穿效應(yīng)有關(guān)。在1999年，吉姆•艾爾-卡里利（Jim Al-Khalili）和我覺得質(zhì)子隧穿可能解釋一種特別的突變類型——所謂的“適應(yīng)性突變”。當(dāng)這種突變能為個體帶來好處時，這種突變似乎就會更加頻繁地發(fā)生。我們當(dāng)時的論文完全是理論性的，但我們現(xiàn)在正在試圖為DNA中的質(zhì)子隧穿找到實驗證據(jù)。所以，請拭目以待。

盡管有了這么多量子解釋來闡述令人費解的生命現(xiàn)象，我們卻發(fā)現(xiàn)自己陷入了更深的謎團中。量子相干性是個極度脆弱的現(xiàn)象，依賴于粒子波的步調(diào)一致。為了保持量子相干性，物理學(xué)家們通常不得不將系統(tǒng)置于幾乎完全真空的狀態(tài)，并且將系統(tǒng)降溫至接近絕對零度，以停止任何熱驅(qū)動的分子運動。分子振動是量子相干性的死敵。

那如果是那樣的話，為什么生物能夠設(shè)法在足夠長的時間里保持自己的分子秩序，以在溫暖潮濕的細胞環(huán)境中也能上演量子戲法？這仍舊是個深奧的謎題。最近有研究提供了一項誘人提示：生物不但沒有試圖避免那分子的“風(fēng)暴”，反而接受了它們。生物就像是利用疾風(fēng)狂潮來保持船體直立著駛往正確航向的船長一樣。正如薛定諤所預(yù)言的那樣，生命是沿著量子邊界——經(jīng)典世界與量子世界間的狹窄“溪流”——在悠然航行。（編輯：Ent）

文章題圖：nature.com

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