神秘的量子生命
今天分享一本書的讀書心得，這本書的名字叫《神秘的量子生命》
我們都知道，人最寶貴的就是生命，無數的文學藝術都在謳歌生命，讚美生命，感嘆生命，但是「生命」到底是什麼？這個問題在科學領域裡並沒有解決。
自古至今，人類為了徹底弄明白這個問題，進行了廣泛的探索，生產了很多很多的知識，這些知識構建了人類文明的大廈。而《神秘的量子生命》這本書的作者，是從量子力學的角度，站在生物化學的科學研究基礎上來闡釋「生命是什麼」這個古老的問題的。
在上篇文章中我分享了一些關於量子科學的基本常識—比如原子同時出現在兩個地方，粒子像波一樣擴散或者兩個分離的粒子竟然可以遠距離相互糾纏，我們對一個粒子的作用會同時影響遠處的另外一個粒子，《神秘的量子生命》的作者，正是從這些量子世界違反直覺的特徵，一層層的闡釋更為深入的生命系統。
我們體內的每個活細胞中，每時每刻都在一個非常小的單位空間里，馬不停蹄的合成著數以萬計的各不相同的生化物質，這些不同的反應是如何發生的？所有的分子活動如何在一個小小的細胞內協調運作？《神秘的量子世界》的作者認為：生命內部細胞角色演化的各種狀況，其實都是利用量子世界的「戲法」來為自己的生存提供便利。
作者首先「遷徙」，這個動物界中最平常的事情說起。
幾個世紀以來，動物在環球遷徙中如何找到自己的方向一直就是一個謎。它們各有神通：有些動物會在日間利用太陽，在夜間利用恆星的相對位置來導航，有些動物會記憶地標，有些動物甚至能聞到他們在這個星球上該走的路，但是導航能力最不可思議的要數知更鳥：它們能感知到地球磁場的方向與強度，這種能力被稱為磁感應。
問題的關鍵在於，其實地球上的磁場非常微弱，弱到什麼程度呢？地球表面磁場的強度只有一個普通冰箱貼磁力的百分之一。那麼，這麼微弱的磁場信息如何與知更鳥細胞內的分子相互作用，他們產生的微弱能量如何能成為知更鳥的導航系統呢？
毫無疑問，知更鳥的不可思議的能力來自基因，那麼什麼是基因？
在1850年，奧地利修道士與植物學家孟德爾在菜園子里種豌豆時發現，花的顏色和豌豆的形狀是由遺傳的因素決定的，這種「因素」在20世紀早期被稱為基因。
但是當時並沒有人知道基因是由什麼構成的，到了1902年，美國遺傳學家沃爾特薩頓發現提出基因位於染色體上。
1943年，加拿大科學家埃弗里發現在染色體中攜帶關鍵性的遺傳信息的物質是DNA。但是，當時的人們並不知道為什麼基因能夠儲存複製並精確的傳遞遺傳信息。
最終這個問題在1953年被揭曉，科學家們發現了DNA中的雙螺旋結構----遺傳字母的序列----也就是提供重要遺傳指令的信息序列—這就是「生命密碼」。
但是，「生命密碼」的發現，只是揭示了生命是有密碼的，是有遺傳信息的，而「生命」本身是什麼？基因科學並沒有給出答案。
我們體內的細胞不斷的出生，也不斷的死亡，活細胞能變成死細胞，但是死細胞卻無法變成活細胞，生命是不可逆的。是什麼使細胞生死？細胞又是如何出生入死？正是這個謎題，讓我們的祖先提出了「靈魂」的概念。
但是隨著現代科學的發展，我們不再相信一個細胞中會包含任何形式的靈魂，也不再相信是靈魂在指揮著細胞的運作，那麼，當一個細胞或者一個人死去時，不可逆轉的失去的東西又是什麼呢？
在當下的每一秒都有數以兆計的最低級的微生物毫不費力的創造著生命，那我們人類為什麼只能複製生命（比如克隆羊）卻做不到用科學技術來創造生命呢，《神秘的量子生命》作者認為，要想知道生命是如何被創造的這個最深奧的謎題，要回到20世紀初期的量子力學剛出現的時代。
20世紀初，德國物理學家普朗克發現發熱體表面的物質以一定的離散頻率振動，導致熱能只能通過微小而離散的能量團進行輻射，而且這些能量團不可以再分，被稱呼為「量子」。最終在1900年引導了量子理論的誕生。
普朗克的理論表明，從物質中流出的能量並不像從水龍頭裡連續不斷流出的水柱那樣，而是更像從水龍頭裡緩慢滴出的水滴，像一個個離散的，不可再分的「包裹」---能量團一樣傳播。
在普朗克提出量子理論五年之後，愛因斯坦擴展了它的理論，並提出包括光在內的所有電磁輻射都是量子化的。在高於特定頻率的電磁波照射下，光可以將物質內部的電子激發出來，即光電效應。正是這項成就，而不是相對論，讓愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。
普朗克提出量子力學，產生了革命性的影響，革命的第二大步是由丹麥物理學家尼爾斯玻爾邁出來的。它提出：
原子的中心有原子核，周圍圍繞著更小的電子，但是電子並不能干擾原子核的穩定性，波爾認為：
電子並不能自由的佔據原子核外的任意軌道，它只能從一個軌道躍遷到下一個較低的軌道，並釋放與兩個軌道的能級完全相同的量子，相應的，如果電子躍遷到一個更高的軌道上，就需要吸收一個具有相應能級差的光子的能量。
電子之類的基本粒子，只能擁有特定的波頻，每種擁有特定的能量層級，當電子從一個能量層級躍遷到另外一個能量層級時，它必須洗手或者釋放與其躍遷前後能級差相對應的輻射，能量是與頻率緊密相關的，快速的振動波頻比慢速的振動具有更多的能量。
到了波爾這裡，「能量」和「頻率」，這個比較具有東方玄學色彩的物理學概念被物理學界普遍的接受了。
而量子物理學的另一位重要科學家海森堡則提出：
如果我們不是正在測量，那麼我們將無法準確說出原子中電子的準確位置，不僅如此，電子本身就是模糊的運行，它並沒有一個確定的位置。
因此，海森堡認為原子世界是一個幽靈般並非實質的地方，只有當我們架起設備與之互動時，它才能固定下來，成為真實的存在。這個就是著名的「測不準原理」，它已經成為量子力學的一塊基石。
在海森堡提出測不準原理的同時，1926年，奧地利物理學家薛定諤提出了現在廣為人知的「薛定諤方程式」，它認為：
電子是在原子內傳播的「波」，它把沒有觀測到的電子想像成一個真實的物質波，只不過我們一觀測，就會「塌縮」為一個離散的粒子。
海森堡和薛定諤用科學實驗證明了量子世界的違反人類理性和客觀現實的詭異性。正如波爾所說：「沒有人真正懂得量子力學」，因為：
當你說你「懂得」，它就不是量子世界了，那些波就會因為你的「懂得」，塌縮成真實的有定量的客觀存在的物質世界。
海森堡和薛定諤的理論完全顛覆了牛頓的物理世界，在那個世界我們可以確定一個物體在給定時間點上的精確位置，而在量子世界裡，薛定諤的方程不會告訴我們一個電子在一個特定時間點上的確定位置，但是它會提供一個數集來描述：當我們去尋覓這個電子時，該電子在不同位置出現的概率有多大，概率論的出現正是奠定在量子力學的基礎上。
到了1927年，由於薛定諤和海森堡以及其他科學家的努力，量子力學的數學基礎基本完成，今天，他們組成了大部分物理學和化學賴以發展的基礎。也展現了整個宇宙基本組成單位的非凡全景圖。到了二十世紀20年代晚期，量子理論開始向生命科學邁進，量子物理學家約爾旦指出：
生命是由處於控制中心內的極少數分子來管理的，這些分子具有獨裁式的影響力，而影響這些關鍵分子運動的是量子事件。
1944年，薛定諤出版了《生命是什麼》，在此書中，薛定諤從量子力學的角度提出了一種對生物學的全新理解，至今仍舊是量子生物學領域的核心，也是《神秘的量子生命》這本書的核心。
讓薛定諤感興趣的問題是謎一樣的遺傳過程。在20世紀上半夜，科學家僅僅知道基因可以從上一代傳到下一代，卻不知道基因的組成和工作原理，於是，薛定諤開始思考，究竟是什麼法則讓遺傳保持了如此高的精確性。
經過嚴密的實驗研究，薛定諤在《生命是什麼》一書中陳述了它的理論，它認為：
生命就是一種量子現象。
他在《生命是什麼》一書中寫道：
生命有機體似乎是一個宏觀系統。當所有的系統溫度趨近於絕對零度且分子的無序狀態消除時，它將服從量子的而非熱力學的定律。
薛定諤的研究說明，量子力學對遺傳具有基礎性的作用，是量子粒子寫成了我們的遺傳密碼。基因太小了，不可能不受到量子規則的影響，對量子規則的領悟，能使我們更深刻的理解生命體的本質和生命的過程。
而《神秘的量子生命》這本書的作者，英國薩里大學物理學教授艾爾-薩利利，作為一位量子生物學家，在他的著作中細膩的鋪陳了量子規則如何作用於人體生物化學反應的過程，他指出：
生命就像一台複雜的分子機器，生命有序性的自我維持需要依靠酶，色素，DNA和其他生化分子的協同運作，而這些生化分子的性質則多數建立在諸如量子隧穿，相干性和量子糾纏等量子現象上。我們的身體可以通過不斷的更新，替換和修復損傷和破舊的組中值維持自我穩定，我們一生都可以維持身體的自我可持續性，所謂的生生不息是也，而維持生命現象的最重要物質就是—酶。艾爾-薩利利一針見血的指出：
酶是我們生命的引擎。所有的生命都依賴酶。
酶在分子內或者分子間操控著單個的原子，質子和電子，並藉此深入到量子世界中利用其奇異的法則，這一切共同鑄就了酶非凡的催化能力。
關於酶，要提一下美國加州大學教授Elizabeth Blackburn，Carol Greider和Jack Szostak，2009年，他們對端粒酶「不死酶」減慢細胞老化過程的研究共同獲得諾貝爾醫學獎。他們經過科學研究發現，8個星期每天12分鐘的禪修冥想，竟然能使人體內的複雜抗衰老的「端粒酶」的活性增加43 %，這說明了禪修冥想這種比較具有東方玄學色彩的活動，的確能從物理環境上切實的延緩身體的衰老和緩解身體的壓力。
在《神秘的量子生命》中的第七章，作者探討的範圍從生物分子化學的領域進入到大腦的意識領域，圍繞「心智之謎」這個問題進行了探討，它提出幾個令人困惑的嚴肅問題：
意識是所有生命的共同特徵嗎？
神經系統是意識的必要條件嗎？
小丑魚會思念他們珊瑚礁的老家嗎？
寒冬來臨，知更鳥真的感受到了南飛的緊迫嗎？還是像無人機一樣只是循著預先設定的程序行事而已？
各個領域的關於意識的解釋不計其數，作者提出了牛津大學數學家彭羅斯的觀點：
人類的大腦就是量子計算機，意識是一種量子力學現象。
我們首先看看下圖中闡釋的量子計算機是如何工作的，這個運作機理讓人想到太極---中國道家玄奧的陰陽關係和1+1大於2的系統思維模式，以及無極限的維度空間。
作者經過一系列的研究發現：
意識不是離散思維的綜合，而是大腦電磁場聯合影響下的體現。電磁場為思維繫統中知識概念的神經元捆綁問題的解決和意識的形成提供了可能。
場的衍生概念來自他的本意：它表示在空間上鋪展的事物，比如打穀場和足球場。在物理學中，場的基本含義沒有改變，但是通常指的是對物質施加力的能量場。
20世紀初期，意識的電磁場理論剛剛提出，那時候還沒有直接證據顯示大腦電磁場能夠影響神經元的興奮，進而影響我們的思維和活動，但是隨著量子力學對生物學的滲透和越來越深入的研究，作者提出了這樣的論點和證據：
意識的產生是大腦電磁場的一種瞬間的放電現象，這种放電現象，就是「靈光」—一種能量團的量子顯現。
那麼，這個意識和靈光到底是什麼，這個「能量團」為什麼會出現，作者坦言無法說清楚，因為量子科學對這個問題也無能為力---它就是那麼存在著，無法解釋。
我看完這本書的最大體會就是：
量子力學的介入驗證了古老的東方生命修鍊體系中諸多的不可思議之處，它也是現在以及未來的人們理解一切物質現象和合成真正生命的關鍵。量子生物學為「生命是什麼」這個古老的問題提供了符合科學解釋的洞見，同時也向我們展示了生命物質中不可思議的量子現象的存在，但是如果順著量子力學的世界繼續走進去，根據我的了解，物理學家將不可避免的發現佛經中所描述的佛陀所發現的那個極其微觀的世界了，但是他們能否發現並參悟到佛陀所發現的那個世界的萬物實相--「空性」，那就很難說了。
2018/1 攝於東京國立新美術館
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