光、咖啡與量子世界

探索 10-31

1878年，當年輕的普朗克（Max Planck）詢問教授Philipp von Jolly，自己是否應該繼續從事物理學研究時，這位教授奉勸他尋找另一份工作，因為物理學「可能在某些角落還能繼續前進，在這裡或那裡可以做一點細微的整理工作，但是，整個系統是安穩的，顯然，理論物理學正接近完成。」

事實證明，只是把其中一點點細微的整理工作做好，就讓普朗克獲得了諾貝爾物理學獎——並導致了量子力學的誕生。當時的物理學家有一個小煩惱，是關於一個很普通的現象：為什麼物體在加熱時會那樣發光？所有材料，不管是由什麼組成，隨著溫度的升高，都會表現出同樣的行為：變紅、變黃、變白。19世紀的物理學家無法解釋這個看似簡單的過程。

當時最好的理論預言，溫度極高的物體會釋放出無限的短波長能量，但是我們當然知道，即使強大的電流加熱燈絲，也不會將其變成噴射死亡射線的物體，所以當時的科學家對這個問題困惑不已，並稱之為「紫外災難」。

1900年，普朗克找到了一個答案，他猜測，能量只能以離散的「量子」形式被吸收或發射。能量量子有效地限制了高溫物體在任何溫度下會釋放的能量，讓紫外災難問題迎刃而解。這是對所謂的經典物理學的徹底背離，因為經典物理學認為能量的流動是平滑連續的。

量子革命就這樣開始了。此後數十年，愛因斯坦、海森堡、玻爾和其他物理學家花費大量時間，把普朗克的靈感逐步轉化為完整的理論，但這一切都始於沒有人明白物體加熱時到底發生了什麼。

由此產生的量子理論處理的粒子尺寸和能量量級非常之小，脫離了我們的日常經驗，對於我們這些哺乳動物的遲鈍感官來說，幾乎是覺察不到的。但是，並非完全看不見！一些量子效應明目張胆地隱藏在我們的視野中，比如來自火熱太陽的光線，來自遙遠星星的閃爍。

在日常生活中，我們能體驗到多少量子世界？關於世界的真實本質，我們的感官能收集到什麼樣的信息？事實上，量子現象就發生在我們的鼻子、眼睛、皮膚等感官里。

我們如何聞到不同味道？

當你聞到桂花甜膩膩的香，或者花椒與魚頭那充滿煙火氣的香時，你的鼻子里到底發生了什麼？對於鼻子，我們知之甚少，就連建造了世界上第一個核反應堆的物理學家費米，也曾經在炒洋蔥時對朋友感嘆道，如果理解嗅覺是如何工作的，該是多麼有趣啊。

暖洋洋的午後，有人貼心地為你煮了一杯咖啡，醇香的分子飄散在空氣中，你將這些分子吸入鼻孔，它們附著在鼻腔的粘液上，並嵌入嗅覺神經元。嗅覺神經元像水母的觸鬚一樣從大腦懸垂下來，是中樞神經系統中唯一持續暴露在外界環境的部分。

我們知道，這些分子會與嗅覺神經元表面400個不同受體中的某一些結合，但是，這種接觸如何產生我們的嗅覺呢？我們其實並不是很清楚。

對於氣味的工作原理，傳統的解釋似乎很簡單：受體會和具有特殊形狀的分子結合，就像只有正確的鑰匙才能打開一把鎖一樣。根據這個模型，從你的咖啡杯里逃逸出來的每一個分子，都與你鼻子里的一組特定受體恰好契合。分子與嗅覺神經元上的受體結合，大腦接受到激活信號，並將之解釋為咖啡的氣味。也就是說，我們聞到了分子的形狀。

但是這個模型有一個根本問題：形狀和組成截然不同的分子，會產生同樣的氣味感覺。嗅覺中似乎還包括了比分子形狀更多的東西，但是是什麼呢？

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一種仍有爭議的觀點表明，嗅覺感知還與分子的振動方式有關。根據不同結構，所有分子都在不斷地以不同的速度振動。我們的鼻子能夠以某種方式檢測到這些振動頻率的差異嗎？

科學家發現，硫化合物具有獨特的氣味和特徵分子振動，而另一種含有硼的分子具有與之不同的形狀，但振動頻率相同，令人驚奇的是，含有硼的分子也散發著硫磺味。在另一個實驗中，科學家將一種麝香味香水中的一些氫分子替換成氘——氘是氫的同位素，含有額外的一個中子——結果發現，人們可以聞到其中的區別。氫和氘具有相同的形狀，但振動頻率不同，這再次表明，我們的鼻子確實可以檢測到振動。

嗅覺可以感知到分子振動這一想法仍然有爭議，但如果確實如此，我們的鼻子是如何感知到分子的振動呢？科學家推測，這可能涉及所謂的量子隧穿效應。

在量子力學中，電子和所有其他粒子都具有波粒二象性——既是粒子，又是波。這有時會讓電子瀰漫開來，以經典物理學的規則禁止的方式穿越材料。氣味分子的振動可能恰好提供了合適的能量，使電子從氣味受體的一個部分隧穿到另一個部分。對於不同分子，隧穿概率有所不同，從而觸發神經脈衝，在大腦中產生對不同氣味的感知。

那麼，隱藏在我們鼻子里的可能是一個精密的電子探測器。然而，我們的鼻子是如何進化到懂得利用量子奇異性的呢？科學家認為，我們或許只是將生命的智慧低估了幾個數量級，四十億年的自然進化是一段很長的研發時間，因此，這也並非生命最令人驚奇的事情。

我們如何看見光？

你仍然在午後的陽光下，握著暖暖的咖啡杯，眨著眼睛，讓透過窗戶的光線進入眼睛。這些光子經歷了8分鐘多一點的時間，穿越了太陽和地球之間大約1.5億公里的距離，進入你的眼睛。然而，這些光子的大部分旅程其實發生在太陽內部，在此之前，它們已經花費了100萬年的時間才逃離了太陽，那時候，我們的非人類祖先剛開始使用火。

在太陽的核心，物質非常緻密，光子只能旅行一段無限短的時間，就會被氫離子吸收，然後，這個過程會發射一個光子，再次進入這個不斷被迅速終止的旅程，直到時間盡頭。如果沒有量子隧穿效應，太陽甚至永遠不會發出這些光子。然而，經過大約10²¹次這樣的相互作用，終於，一個光子在經歷曲曲折折的漫長路徑後，從太陽表面出現。

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太陽和所有其他恆星都是通過核聚變反應而產生光：氫離子（質子）碰撞在一起形成氦，這個過程會釋放能量，每秒鐘，太陽將大約400萬噸物質轉化為能量。但是氫離子，也就是單個的質子，攜帶正電荷，自然地互相排斥，它們怎麼可能融合呢？

在量子隧穿中，質子的波動特性使它們可以略微重疊，就像池塘水面上的漣漪一樣，這種重疊使得質子波足夠接近，因此，另一種僅在極短的距離內有效、卻也更強的作用力——核力能夠克服質子間的電斥力，最終，質子聚變，並釋放出一個光子。

我們的眼睛已經進化到對這些光子非常敏感。最近的一些實驗表明，我們的眼睛甚至可以探測到單個光子。這就提出了一種有趣的可能性：人類是否可以被用來測試量子力學的一些怪異特性？也就是說，一個人——就像光子、電子或薛定諤那隻既死又活的倒霉貓一樣——能直接參与到量子世界嗎？這樣的經歷會是怎樣的呢？

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2016年，洛克菲勒大學的物理學家Alipasha Vaziri通過研究發現，人類確實可以看到單個光子，然而，視覺或許並不能準確描述這種體驗，看到單個光子和看到光並不一樣，這幾乎是一種近乎想像的感覺。

在不久的將來，科學家期待可以通過實驗測試，當光子進入奇怪的量子狀態時，人們會感知到什麼。例如，物理學家可以誘使單個光子進入所謂的疊加態，即單個光子同時存在於兩個不同的位置。人們是否能夠直接感知到光子的疊加態呢？科學家提出了兩種實驗情形：

一種情況下，光子會進入一個人視網膜的左側或右側，這個人會注意到自己在視網膜的哪一側感覺到了光子。另一種情況下，光子會被置於量子疊加態，使其能夠完成看似不可能的任務：同時到達視網膜的左右兩側。

那麼，這個人會在視網膜的兩側都感知到光嗎？或者像物理學家所說的那樣，光子與眼睛的相互作用會導致疊加態「坍縮」到其中一個位置嗎？如果是這樣，光子會像理論所預測的那樣，同樣頻繁地出現在視網膜的左右兩側嗎？

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家Rebecca Holmes解釋說：「根據標準量子力學，處於疊加態的光子看起來可能與隨機向左右兩側發射光子沒有任何區別。」如果參與實驗的人確實同時在兩個位置感知到了光子，這是否意味著這個人自己處於量子狀態？對此，她回答道：「你可以說觀察者在極短的時間內處於量子疊加態，但沒有人嘗試過，所以我們真的不知道。這正是做這個實驗的充分理由。」

觸覺究竟是什麼？

仍然回到那杯咖啡，咖啡杯讓人感覺很堅實——一大塊固體物質與手的皮膚緊密接觸。然而事實上，這不過是一種錯覺：我們從來沒有真正接觸過任何東西，至少不是兩大塊固體物質聚集在一起。原子中99.9999999999%以上的空間都是空的，幾乎所有的物質都集中在原子核中。

當你用手對杯子施加壓力時，那種表面上的堅實感來自於杯子中電子的排斥力。電子本身沒有任何體積——它們只是攜帶一個負電荷的、瞬息跳躍的、零維的點，像雲一樣圍繞著原子和分子。

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量子力學定律將電子限制在原子和分子周圍的特定能級。當你的手抓著杯子的時候，會逼迫電子從一個能級跳躍到另一個能級，而這個過程需要來自手部肌肉的能量，大腦會將此解釋為接觸固體物質。

因此，我們的觸覺來自於我們身體分子周圍的電子和我們遇到的物體之間極其複雜的相互作用。從這些信息中，我們的大腦產生了這樣一種錯覺——我們擁有堅實的身體，並在一個充滿其他實體的世界中移動。

進化並非為了感知現實

觸覺並不能給我們一種準確的現實感。也許，我們所有的感知都與現實不符。加州大學歐文分校的認知神經科學家Donald Hoffman認為，我們的感官和大腦不斷進化，是為了隱藏現實的真實本質，而不是為了揭示它。

Hoffman認為，不管現實是什麼，都太過複雜，需要大腦花費太多時間和精力去處理。他將大腦構建的世界比喻為電腦的圖形界面：屏幕上所有的彩色圖標——垃圾桶、滑鼠指針、文件夾——與電腦內部發生的事情毫無相似之處。這些圖標是抽象、簡化的，讓我們能夠與複雜的電子設備互動。

進化以類似的方式塑造我們的大腦，它不會以任何形式逼真地再現世界。進化並不利於精確感知的發展，而是獎勵那些會提高生存能力的特徵。對於自然來說，適應環境優先於感知現實。

因此，雖然一個生命體有可能構建更精確的現實表象，但這種表象並不能增強其生存能力。在某種程度上，我們是進化以適應環境，而不是來感知現實。

Hoffman的觀點與一些物理學家所認為的量子理論的核心信息一致：現實並非完全客觀的，我們不能把自己與我們觀察的世界分開。Hoffman完全贊同這種觀點：「空間只是一種數據結構，物理對象本身也是我們動態創建的數據結構。當我看到那邊的山時，我創建了那個山的數據結構。然後我把視線移開，就拋棄了那個數據結構，因為我不再需要它了。」

Hoffman的工作表明，我們還沒有掌握量子理論的全部意義，以及量子理論對現實本質的解釋。

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