Lee公子 2017年2月3日 于昆明
摘自《神秘的量子生命》[英]吉姆?艾尔－哈利利 约翰乔?麦克法登 著
** 摘自原书《结语 我们一定会创造出遵循量子理论的新生命》 **
"怪异"，是人们最常用于形容量子力学的词。而它也的确称得上怪异。量子力学认为，在某些情况下，物体能够穿过不通透的障碍物、能够同时出现在两个位置、遥遥相隔的两个物体之间存在"超距作用"，这样的学科怎么说也不能叫寻常。但是量子力学理论的数学框架逻辑严谨，它能够准确描述微观世界中基本粒子和基本力的性质。因此，量子力学研究的对象是物理学世界的基石。离散能级、波粒二象性、相干性、纠缠态以及隧穿并不只是存在于科学家们考究的实验室里，也不仅仅是科学家故弄玄虚的概念而已。这些现象与"奶奶做的苹果派"一样真实存在，它们甚至就发生在"苹果派"当中。实际上，量子力学一点都不怪异，怪异的是量子力学所描述的这个世界本身。
我们发现，大多数量子世界的独特现象都在宏观物体内部混乱的热力学环境中丧失殆尽。这种过程被称为退相干，我们熟悉的经典世界就是退相干的产物。所以物理学的世界可以被分为三个层次（见图）。表面的第一层是宏观世界，这个世界里的日常物体，比如足球、火车和植物等，它们的行为遵循牛顿运动力学法则，我们可以用速度、加速度、动量和力等熟悉的概念来描述它们。在此之下，是描述液体、气体行为的热力学世界。在这一层里牛顿的经典法则依旧适用，但是我们在第1章里说过，薛定谔指出，这种适用性是基于对万亿个各自进行无序运动粒子的统计学处理，是"来自无序的有序"。热力学法则旨在描述类似气体受热如何膨胀、蒸汽如何做功驱动火车这样的现象。最深的第三层，也就是物理学的基石：量子世界。在这个维度里，原子、分子以及组成它们的所有成分粒子都遵循精确而有序的量子规则，经典力学的影响已经鞭长莫及。
不过，大多数的量子现象通常都看不见。只有在类似于双缝实验那样的情景中，当我们仔细观察单个粒子的运动时才能看到一点量子力学的端倪。退相干滤去了宏观世界中大型物体的量子力学现象，这也就是为什么量子世界对我们来说显得非常陌生的原因。 相对来说，大多数生物体都称得上是体形巨大了。它们的运动和火车、足球以及炮弹一样，都符合牛顿力学法则：发射一枚炮弹的人与炮弹运动的方式都遵循牛顿力学。在稍微深一点的层面上，组织和细胞的生理活动遵循着热力学定律：肺的膨胀和收缩与气球的膨胀和收缩没有本质区别。所以乍看之下，你可能会认为知更鸟、鱼类、恐龙、苹果树、蝴蝶、人类以及其他经典宏观物体都与量子力学没有什么关系，事实上多数科学家也是这么认为的。但是，我们已经看到生命现象里有诸多的例外：生命的根须穿透牛顿力学的土壤，贯穿浑浊的热力学地下河，深深植根于量子力学的地底岩层内。宏观的生物体内仍然存在量子相干性、叠加态、隧穿和纠缠态现象。我们在这结语中想要探讨的是：生物体是如何做到的？
我们在前面的探讨中已经部分回答了这个问题。埃尔温·薛定谔在70多年前就指出生命与无机世界的不同之处在于，其精确到分子水平的结构性与有序性。这种有序性赋予了生物体一种连接分子和宏观世界的有效手段，如此一来，发生在分子水平的量子***就能够对生物整体施加影响：这种量子力学对宏观世界的放大效应是量子力学的另一位先驱——帕斯夸尔·约尔旦提出的观点。
当然，在薛定谔和约尔旦论述生物学的时代，还没有人知道基因的构成，也没有人知道酶或者光合作用的工作原理。在接下来的半个世纪里，大量的分子生物学研究绘制了一幅有关生物分子结构的细致图谱，我们的眼界甚至深入到DNA以及蛋白质内的单个原子。量子力学先驱们富有预见性的洞察力终于获得了世人迟来的肯定与理解。我们渐渐意识到，即便已经从原子水平上阐明了光合系统、酶系统、呼吸链以及基因的结构，但是如果没有量子运动的参与，那么维持我们生命的呼吸系统、构建我们身体的酶系统以及制造我们星球上整个生物圈的光合作用系统都依旧只是天方夜谭。
科学家对量子力学如何参与生命过程依然疑惑重重，其中最主要的困惑是，生物体如何能够在温暖、潮湿的细胞内保持粒子的相干性。蛋白质和DNA不是机器，它们与物理实验室里测量量子效应的机械设备不同，不是由标准化的金属零件拼装而成的。蛋白质和DNA是黏糊糊、有韧性的生物分子，它们时刻在进行热力学振动，也时刻受到周围其他粒子震荡的冲撞，我们称这种持续冲撞的阻力为分子噪音。组成DNA和蛋白质的原子在分子噪音的震荡和冲击下，本应该发生退相干。生物大分子如何能够维持其脆弱的相干性一直是个谜。不过，你在接下来的讨论里会看到，这个谜题（连同生命本质）的神秘面纱，正在被渐渐掀起。这些新发现很可能在未来推动量子技术的发展。
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《构建“量子世界观”的基本概念》
二十世纪的物理学界人才辈出，群星闪烁，而其中最耀眼的莫过于爱因斯坦，他成为人类智力高峰的标志。他的名字是如此熠熠生辉，以至于与他并峙的另一座“高峰”很少被普罗大众所知。
这座“高峰”就是丹麦人民的骄傲、量子力学之父、哥本哈根学派的创始人以及诺贝尔物理学奖获得者——尼尔斯·玻尔。
玻尔（网络图）
大智若愚的童年
1885年10月7日，玻尔生于哥本哈根，父亲克里斯丁·玻尔是哥本哈根大学的生理学教授，母亲出身于一个富有的犹太人家庭，玻尔从小就受到良好的家庭教育，他思维敏捷，善于思考，并十分热爱足球运动。相比敏捷的思维，玻尔却有点笨嘴拙舌。有一次，弟弟哈罗德提议玩“互相打击”游戏，伶牙俐齿的哈罗德直说得哥哥脸上一阵红一阵白，招架不住的玻尔央求弟弟不再说了。轮到玻尔打击弟弟时，只见他双唇紧闭，面容严肃，经过几分钟的认真思考，终于挤出一句话来“你衣服上有块脏印儿”。此话一出，弟弟差点笑得背过气去。
与笨嘴拙舌有一拼的还有写作。在写《散步》作文时，经常和父亲一起散步的玻尔写到：“我和父亲到港口散步，看到了船在装货和卸货。”全篇作文只有这么一句话！但玻尔却极为满意，觉得精简至极。更绝的是一篇《自然力的日常利用》作文，玻尔认真考虑后，以“我家不使用自然力”一句话完成了作文。
除了言语、笔头笨拙之外，玻尔还很较真。有一次上图画课，老师让大家画自己家的房子。画了一会儿，玻尔突然要求回家，老师问他为什么，玻尔认真地回答：“回去数围墙的柱子。”后来大家发现，玻尔画中的柱子果然与他家实际的柱子一根不差！
玻尔在授课（网络图）
科学家球星
玻尔最喜爱的体育运动是踢足球。18岁考进哥本哈根大学后，很快就成为大学足球俱乐部的明星守门员，后来还成为当时丹麦豪门AB队的门将。令人印象深刻的是，他经常在足球场上一边心不在焉地守着球门，一边倚在门柱上思考，或用粉笔在门框上排演着公式，结果，原本一个简单扑救就可以搞定的球却轻松进了球网，让对手大获全胜。
足球守门员（网络图）
1911年，在玻尔博士论文答辩时，丹麦国家足球队全体队员出席，他们承认听不懂玻尔的讲演，但这并不妨碍他们来助威。1922年，玻尔获得诺贝尔奖时，丹麦媒体普遍***用的标题是《授予著名足球运动员尼尔斯·玻尔诺贝尔奖》。后来，玻尔进入科研机构，专心于原子物理研究，他也没有忘记心爱的足球，业余时间仍坚持参加足球训练或比赛，是一名不折不扣的“科学家球星”。
世界闻名的“哥本哈根精神”
1921年，玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请，创建了哥本哈根大学理论物理学研究所，并任所长。这个研究所吸引和培养了一大批杰出的物理学家，如海森堡、狄拉克、泡利等，形成了举世闻名的“哥本哈根学派”，这个学派在形成和发展量子力学理论体系方面发挥了巨大作用。除玻尔外，这个研究所还有9名诺贝尔物理学奖获得者。1961年，他的学生朗道问他吸引那么多才华横溢年青人的秘诀是什么，他淡然回答：“只是因为我不怕在年青人面前承认自己的愚蠢和无知。”
玻尔恩师卢瑟福（网络图）
更为宝贵的是，玻尔还创造了“哥本哈根精神”——这是一种平等自由讨论和紧密合作的学术气氛，传记作家穆尔这样总结哥本哈根精神:“高度的智力活动、大胆的涉险精神、深奥的研究内容与快活的乐天主义的混合物”。直到今日，“哥本哈根精神”仍然是物理学界最宝贵的精神财富。
微小颗粒存在 波粒性二象性。
在被观测时表现为 粒性质。不被观测时表现 波性质。
具体实验可以参考双缝实验。 我拿足球做比喻
一个运动员射门，在运动员和球门之间放一个板子，在板子上开一个竖着的缝隙，缝隙允许通过一个足球。实验开始。运动员射门，射出了无数足球，这些足球集中在球门的正中间，一个小球堆。 现在可以认为足球是一个颗粒。
实验二，场景同上，板子上开两个缝隙。这时观测会发现射出的足球在球门里呈现8个或者多个球堆，堆里得出足球是象水一样的波纹，在撞上木板时生成的水波一样的性质。 现在可以认为足球是波。
实验二延伸：在木板后站着一个人，看足球是怎么通过木板的，这时会惊奇的发现，球门里的足球被分成了两堆，两个足球堆对应木板的开口。足球又成颗粒了。就好像人类的观测影响了实验的结果。
现在回答你的问题，一个粒子不停被观测，那它就是一个颗粒，成光速直线运动，在4维空间中，时间轴运动为零，这个粒子不会衰老，一直在光速运动。
纯手写
一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。
量子是1900年德国物理学家M·普朗克首次提出的。普朗克认为黑体辐射中的辐射能是不连续的，只能取基本能量单位的整数倍，这很好地解释了黑体辐射的实验现象。
后来的研究表明，能量不仅表现出这种不连续的分离性质，而且其它物理量如角动量、自旋和电荷也表现出这种不连续的量化现象。这与牛顿力学所代表的经典物理学有根本不同。量子化现象主要表现在微观物理世界中。描述微观物理世界的物理理论是量子力学。
扩展资料：
量子来源：
量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。
自从普朗克提出量子概念以来，经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，20世纪上半叶开始建立起一套完整的量子力学理论。大多数物理学家认为量子力学是理解和描述自然的基本理论。
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