神秘的量子生命：萬物背後的量子真相

萬物背後的量子真相

假如今天在科學家中間進行一項民意調查，問他們什麼是整個科學領域最成功、影響最深遠、最重要的理論，答案可能會取決於你所問的科學家是在非生物科學領域還是生物科學領域。絕大多數生物學家認為達爾文的自然選擇進化論是人類有史以來最意義深遠的理論，而一個物理學家則更傾向於認為量子力學理論才應該佔據科學中的首要位置，因為量子力學構築了大部分現代物理學與化學的基石，揭示了宇宙的基本構成單位，並向人類展現了一幅非凡的宇宙全景。確實，如果沒有量子力學的解釋，我們目前對世界如何運轉的大部分看法都不能成立。

幾乎每個人都聽說過「量子力學」，不過，認為「量子力學是一門艱深而難以理解的科學，只有極小部分非常聰明的人能夠理解它」的想法一直很普遍。但事實是，從20世紀早期開始，量子力學就已經成了我們所有人生活的一部分。量子力學在20世紀20年代中期發展為一種解釋極小世界（現稱微觀世界）的數學理論。原子構成了我們眼睛所見的一切事物，而量子力學描述了原子的行為以及構成這些原子的更小粒子的性質。比如，通過描述電子運動所遵循的規則以及電子在原子內部如何安排自己的行為，量子力學奠定了整個化學、材料科學甚至電子學的基礎。不僅如此，過去半個世紀中大多數技術進步都以量子力學的數學規則為核心。

如果沒有量子力學對電子如何在材料中穿梭的解釋，我們就無法理解半導體的行為；而半導體又是現代電子學的基礎，如果沒有對半導體的理解，我們就無法發明出硅晶體管，以及後來的微晶元及現代計算機。這樣的例子不勝枚舉：沒有量子力學對我們知識的提升，就不會有激光，也就沒有CD、DVD或是藍光影碟播放器；沒有量子力學，我們就不會有智能手機、衛星導航或是核磁共振成像掃描儀。事實上，有估計稱，如果沒有我們對量子世界中力學原理的理解，發達國家超過1/3的國內生產總值將無法實現。

這才僅僅是個開始。在有生之年，我們十有八九會見證一個量子時代到來。那個時候，人類可以從激光碟機動的核聚變中獲得近於無限的電能；分子級別的人造機器會在工程、生化及醫藥領域幫助人類完成大量的任務；量子計算機將開始提供人工智慧；從前只在科幻作品中出現的遠距傳物技術將很有可能成為信息傳遞的常規方式。發端於20世紀的量子革命將在21世紀持續加速，以不可想像的方式改變我們的生活。

但是，量子力學究竟是什麼呢？對這個問題的探索將是貫穿本書的線索。對於初次接觸量子力學的嘗鮮者，此處我們以幾例量子力學對生活潛移默化的影響為開始，向你展現這些真相如何塑造了我們的生活。

|奇特的波粒二象性

第一個例子表現的是量子世界中最奇特的特徵，也可以說是量子世界的決定性特徵：波粒二象性。

我們已經熟悉了世界的構成，知道自己周圍的所有物體都是由許許多多微小而離散的粒子構成的，比如原子、電子、質子和中子。你可能也知道，能量（比如聲或光）以波的形式傳播，而非粒子。波會向外擴散，而不是像粒子那樣向四周移動；波在空間穿過，會像大海里的波濤一樣，形成波峰和波谷。20世紀早期，科學家發現亞原子粒子可以像波一樣運動，而光波具有粒子的性質。量子力學正是在那個時候誕生的。

雖然波粒二象性不是什麼你每天都需要考慮的事情，但它構成了許多非常重要機械的基礎，比如電子顯微鏡。電子顯微鏡讓醫生和科學家能夠看見、分辨並研究用傳統光學顯微鏡看不見的極微小物體，比如艾滋病毒和普通流感病毒。「電子具有波的性質」這一發現直接催生了電子顯微鏡的發明。

德國科學家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發現，因為電子產生的波長（指任一波中連續兩個波峰或波谷之間的距離）比可見光的波長要短得多，因此基於電子成像的顯微鏡會比普通的光學顯微鏡捕捉到更多的細節。這是因為，當波遇到任何微小的物體後，如果這一物體的三維比波的波長要短，那麼這個物體將不會影響和改變波的傳播，就像波長几米的海浪衝擊著沙灘上的鵝卵石一樣。你需要更短的波長，比如那種在學校的科學實驗課上常見的水槽里的漣漪，才能在遇到鵝卵石後產生反射和衍射，使我們最終「看見」這個鵝卵石。因此，克諾爾和魯斯卡在1931年製造了世界上第一台電子顯微鏡，並用它拍下了世界上第一張病毒的照片。恩斯特·魯斯卡因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。這個獎頒得或許有些遲了，因為克諾爾在多年前已經逝世（1969年），而魯斯卡在得獎兩年後也離開了人世。

|量子遂穿，「穿牆而過」的粒子

第二個例子將更加重要。你知道太陽為什麼會發光嗎？

大多數人可能知道太陽本質上是一個核聚變反應堆，消耗氫來釋放熱量和陽光，而陽光維持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果沒有那讓粒子「穿牆而過」的奇異量子性質，太陽根本不會發光。太陽（或者說宇宙中的所有恆星）之所以能夠放射如此大量的能量，是因為氫原子的原子核（也就是帶有一個單位正電荷的質子）能夠聚變，並以我們稱為陽光的電磁輻射釋放能量。兩個氫原子核要想聚變，就需要靠得非常近，但兩者靠得越近，相互間的排斥力就越大，因子核要想聚變，就需要靠得非常近，但兩者靠得越近，相互間的排斥力就越大，因為它們各攜帶一個正電荷，而同種電荷互相排斥。

事實上，如果要讓兩個質子靠近到足以聚變，那麼兩個質子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的「磚牆」：一個明顯不可穿透的能量壁壘。經典物理學[注釋]——構建在牛頓定律之上，能夠很好地描述日常生活中球體、彈簧、蒸汽引擎，甚至是天體的受力和運動——認為這樣的穿越不可能發生。換句話說，因為粒子不可能穿牆而過，所以太陽也不應該發光。

但是原子核這一類遵循量子力學原理的粒子卻暗藏玄機：它們通過一種被稱為「量子隧穿」（quantum tunneling）的過程，可以輕鬆地穿透上述的壁壘。從本質上講，是它們的波粒二象性使它們能夠完成隧穿。正如海浪可以繞過物體（比如沙灘上的卵石）傳播一樣，波也可以繞過物體傳播（比如聲波可以穿透牆壁，讓你聽到鄰居家的電視聲）。當然，作為聲波的介質，空氣並沒有真正地穿透牆壁：空氣中的振動，也就是聲音，使你和鄰居共用的牆壁發生振動，而此振動又推動你房間中的空氣，將相同的聲波傳入你的耳中。但原子核卻不一樣，如果你能像原子核一樣行動，那麼有時候，你真的能夠像幽靈一般直接穿過堅實的壁壘。[注釋]太陽內部的氫原子核所做的正是如此：它能讓自己傳播出來，像幽靈一樣穿透能量壁壘，使自己與牆另一邊的夥伴靠得足夠近來完成聚變反應。因此，當你下一次在沙灘上曬太陽時，不妨看看拍打著沙灘的海浪，想一想量子粒子像幽靈一樣波動，這種波動不僅能夠讓你享受溫暖的陽光，也使得我們星球上所有的生命成為可能。

|疊加態：華爾茲與爵士共舞

第三個例子與前面的例子也相關，但展現了量子世界不同甚至更加奇怪的特徵：一種被稱為「疊加態」（superposition）的現象。

疊加態現象指粒子可以同時完成兩件、100件甚至100萬件事情。這個性質可以解釋我們的宇宙為什麼如此複雜而有趣。在大爆炸之後，宇宙誕生，彼時的空間中充斥著單一的原子，即以最簡單的形式存在的氫原子——由一個帶正電荷的質子和一個帶負電荷的電子構成。那是一個相當單調的世界，沒有恆星或是行星，當然，也不會有任何生命。因為，包括我們自己在內，構成我們周圍一切事物的「基本單位」，都是比氫原子更為複雜的物質，比如像碳、氧、鐵這樣更重的元素。幸運的是，在充滿氫的恆星內部，可以利用氫的另一種形態來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要歸功於量子的魔法。

如前所述，合成的第一步是兩個氫原子核，也就是質子，通過量子隧穿效應靠得足夠近時，釋放一些能量。正是這些能量變成的陽光溫暖著我們的星球。第二步，兩個質子必須結合在一起，這個過程並不容易，因為兩個質子間的作用並不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實由兩種粒子構成：質子和電中性的中子。如果原子核中某一種粒子太多，量子力學的原理就認為原子核內的平衡會重新調整，部分多餘的粒子會轉變為另一種粒子：質子變成中子或是中子變成質子。這種轉變的過程被稱為β衰變（beta-decay）。兩個質子結合時所發生的事情正是如此：兩個質子不能共存，其中之一會β衰變為中子。剩餘的質子與新生成的中子會結合形成一種新的物質氘核（氫的同位素[注釋]氘的原子核），之後，氘核會進一步發生核反應，合成更加複雜的、重於氫的原子核，從氦（兩個質子加一個或兩個中子）到碳、氮、氧，以此類推。

此處的重點在於，氘核的存在歸功於其能同時以兩種狀態出現的能力，而這種能力恰是量子疊加態的體現。這是因為，由於自旋方式的不同，質子和中子能以兩種不同的方式結合。我們隨後將詳細考察「量子自旋」（quantum spin）的概念與我們所熟悉的宏觀物體（如網球）的旋轉究竟有何不同，而現在，我們將暫時跟隨自己對自旋粒子的直覺，把氘核內質子和中子的共同旋轉，想像成一場精心編排的「舞蹈」，而這舞蹈結合了「緩慢親密的華爾茲」與「節奏稍快的爵士」兩種特點。早在20世紀30年代晚期，科學家就發現，氘核內部的這兩種粒子並不是以這一種或那一種形式在共舞，而是同時以兩種狀態在舞蹈——它們同時跳著「華爾茲」和「爵士」——而正是這種舞蹈形式，將它們緊密結合在了一起。[注釋]

看了上文，你可能不禁要問：「你們是怎麼知道的？」是的，原子核太小了，遠非肉眼所能看見，那麼，為了更合情理，我們是不是該假設自己對「核力」的理解還不夠完善呢？答案是否定的。上文的結論已經在多個實驗室被反覆證明：如果質子和中子以「量子華爾茲」或「量子爵士」的任意一種形式結合，兩者間的核「黏合力」都不足以強到使兩者結合在一起；只有兩者互相疊加時，也就是兩種狀態同時存在時，黏合力才足夠強。我們可以將這兩種狀態的疊加想像為兩種顏料的混合（如藍色和黃色，混合後會形成一種新的顏色——綠色），雖然你知道綠色是由最初的兩種顏色混合而成的，但它既不是藍色也不是黃色。不同比例的藍色和黃色混合，也能創造出不同色調的綠色。同樣地，質子和中子能夠結合為氘核，是因為它們的舞蹈大部分是「華爾茲」，但同時也混合著一小部分「爵士」。

因此，如果粒子們不能同時共舞「華爾茲」和「爵士」，那麼我們的宇宙到現在還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發光的恆星，沒有其他元素，你也不會在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因為質子和中子以反直覺的量子方式存在著。

|核磁共振的秘密

我們的最後一個例子要把大家帶回到技術世界中。量子世界的性質不僅可以用來觀察像病毒一樣微小的事物，也可以用來觀察我們的身體內部。核磁共振成像是一種醫療掃描技術，能夠造出細節極其豐富的軟組織圖像。核磁共振成像通常被用來診斷疾病，特別是探測內部器官上的腫瘤。大多數介紹核磁共振成像掃描儀的通俗說明都沒有提到，其實此項技術依賴於量子世界奇特的運轉原理。核磁共振成像掃描儀使用磁力強勁的大型磁鐵將病人體內氫原子核的自旋軸排列整齊。之後，這些原子被放射波脈衝刺激，迫使排列整齊的原子核以奇特的量子狀態存在，同時向兩個方向自旋。試著將這個過程視覺化對理解它並沒有什麼作用，因為目前它離我們的日常生活還很遙遠。重點在於當這些原子核重新回到最初的狀態（即它們還未接受能量脈衝的刺激而進入量子疊加態）時，它們會把之前接受的能量釋放出來。

核磁共振成像掃描儀上的電子儀器將收集這些能量，並以此為患者體內的器官造影，生成細節豐富的圖像。

因此，如果你有機會躺在一台核磁共振成像掃描儀里，或許還一邊聽著耳機里的音樂[注釋]，不妨花一小會兒時間想想亞原子粒子反直覺的量子行為，因為正是這種行為讓核磁共振成像技術成為可能。

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