LifeOnTheEdge 1-2

季老师的量子生物读书会,科普书《Life On The Edge》试译。

本人英语很差,翻译主要是为了学习科普读物本身内容方便,顺便用作英文学习练习之用。

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为了理解一个指南针是如何工作的,我们需要去考虑磁场线,这些定义了磁场的方向的不可见的轨迹沿着指南针的指针,与其同向,无论指南针放置在磁场中的哪里——我们最熟悉情景的就是在一张纸上撒上铁屑,然后用一根条形磁铁至于其上出现的图形。现在,想象整个地球就是一根巨大的条形磁铁,从它的南极处发射出一条条曲线,环绕着一圈又一圈,直到连接至北极(详见图1.1)这些磁场线中,靠近极地的部分方向几乎与地面垂直,但是它们渐渐变得平坦,更加近平行于地球表面并且越来越接近赤道。于是,这种可以测量磁场线与地表之间的倾斜角的指南针被称为磁倾斜指南针,它可以分辨出方向是朝向极地还是赤道,但并不能分辨朝向北极或南极,因为磁场线在两极和地面的夹角是相等的。Wiltschkos夫妇在1976年的研究确立了知更鸟的磁感应机制是类似于磁倾斜指南针的机制。于是,问题就变成了没人知道生物学上的磁倾斜指南针是如何工作的,因为我们并不知道动物体内有什么东西可以测量地磁场的倾角,甚至连想都不敢想。而答案就是要不得不用到现代科学中最神奇的理论之一,最奇怪的科学:量子力学。

图1.1:地磁场示意图

一个潜藏着的骇人事实

如果在当今科学家之间做一个无聊的投票,问问他们什么理论是整个科学之中最成功、影响最深远而且最重要的理论的话,答案可能很大程度上取决于你问的人是物理学工作者还是生命科学工作者。多数生物学家一定会推崇达尔文的由自然选择理论推出的进化论学说,把它奉为最为意义深远的理论构想;而物理学家则会争辩说,量子力学才应获此荣誉——毕竟,量子力学构建了物理学和化学的基础,并且成为了关于整个宇宙图景的大厦的基石——的确,倘若没有量子力学的解释助力,我们当前对这个世界运行规律的多数认知都将消失不见。

几乎所有人都听说过「量子力学」,这个晦涩难懂的,只被少数很聪明的人理解的科学界理论早已成为流行文化中火热的一部分。然而事实却是,在20世纪早期,量子力学就成为了我们生活中的一部分,从20世纪20年代中期开始,科学界发展出了一套数学理论来解释微观世界中原子构成我们身边所有所见事物的行为,以及那些更小的,构成原子的小微粒的属性。比如,通过描述电子所遵从的如何安排自己置于原子之内的规律,量子力学支撑起了整个化学、材料科学甚至电子学理论的基础。

尽管它很陌生,但其数学规则却成为了过去半个世纪大多数技术进步的核心。没有量子力学对电子穿越物质的解释,我们就不可能理解半导体这一现代电子学基础器件的行为,不理解半导体的行为模式,也就不会发展出硅晶体管,更不要说后来的芯片和现代计算机了。除此之外还有:没有归功于量子力学的知识进步,就没有激光,于是也就没有CD、DVD和蓝光播放器了;没有量子力学我们就没有智能手机、卫星导航和核磁共振扫描。实际上,据估计,如果没有对量子世界机制的理解,世界超过三分之一的GDP总值所依赖的应用程序都将会不存在。

而这也仅仅是个开始。我们可以展望一下量子论的未来——在我们余生之中,其发展的可能性——由激光驱动的核聚变也许会使无穷电力变为现实;人造分子级机械能够完成一系列工程学、生物化学、医药学领域的各种任务;量子计算机可以提供人工智能;甚至科幻小说里的传送技术都将被日常用于传输信息。20世纪的量子革命正在21世纪加快行进步伐,终将用难以置信的方式改变我们的生活。

但,量子力学究竟是什么?我们将在本书中探讨这个问题,而这个问题也将贯穿始终。对于初次接触这些内容的读者,我们接下来要举几个例子,为你讲述潜藏在我们生活中的量子论基础的事实。

我们的第一个例子阐明了量子世界里的一个奇怪特征,可以说是它的定义特征:波粒二象性。我们很熟悉的一个事实是,在现实生活中的物体是由诸如原子、电子、质子和中子等极小的离散的微粒构成的。你又也许会注意到能量,比如光或者声音,它们以波而不是微粒的形式传递。波是传播出去的,而不是像微粒那样一个一个,而且它们还会流过空间——好的,波,就像海中的潮汐潮起潮落那样,有波峰和波谷,这样的一种东西。量子力学之所以诞生,就是因为20世纪早期人们发现原子内的微粒行为类似于波,而光波的行为却类似于微粒。

尽管波粒二象性并不是你每天生活都需要考虑的事情,但他确实是许多重要理论的基础。比如医生和科学家使用的显微镜,传统光学显微镜看不到那些让人患上艾滋病或者只是一般感冒的病毒,因为这些病毒太小了。而电子显微镜的灵感来自于电子的波动性质的发现,德国科学家Max Knoll和Ernst Ruska意识到了这一点,因为电子的波长(即波中任意两个相邻波峰波谷之间的距离)远远小于可见光的波长,所以一个用电子显像作为基础的显微镜应该可以比光学显微镜看到更多更清晰的细节。这是因为任何尺寸上比落于其上的波要小的微小物体都不会影响或作用于那束波——想想来自海洋的波涛吧,它的波长有几米长,击打着沙滩上的鹅卵石,研究这束海浪并不能让你了解到任何有关鹅卵石的形状或大小的细节。你需要更短的波长,比如波动箱中产生的波,就是学校科学课里大家都见过的那种,通过这种波的反弹或者对其周围的衍射来「观察」鹅卵石。于是,在1931年,Knoll和Ruska建造了世界上第一台电子显微镜,并将其用于拍摄了世界上第一组病毒的图片,因此,Ernst Ruska在1986年获得了诺贝尔奖——或许来的有点晚了(Ruska于1988年去世)。

我们要说的第二个例子就更基础了。为什么太阳会发光呢?很多人可能知道太阳本质上是一台燃烧氢气的核聚变反应堆,由此释放热量和阳光,维持地球上万物的生命,但很少有人知道,如果不是因为显著的量子效应,太阳是不会发光的,因为他不会允许粒子「穿墙而过」。不仅是太阳,包括宇宙中的所有恒星,都可以发射出大量的能量,这是因为氢原子核,和每个氢原子核和一个只携带正电的,被称为质子的粒子可以相互结合,其结果就是以电磁辐射的形式中释放出了能量,这种电磁辐射也就是我们平时所说的阳光了。两个氢原子核必须要靠的非常近才能相互结合,然而靠得越近,两者之间的斥力就愈发强大,因为他们都带有同种的正电荷,所以他们就「喜欢」互相排斥。也就是说,想要靠近并互相结合,这些粒子必须要穿过原子内的一种类似于砖墙的东西:一股看上去无法突破的能量屏障。经典物理学——就是由艾萨克·牛顿的运动、力学和引力定律所建立起来的,把日常世界里的球体、弹簧和蒸汽机(甚至还有行星)都描述得非常好的物理体系——会预言这种情况不会发生,粒子不可能穿越墙壁,因此,太阳也就不会发光了。

但是粒子实际上遵守着量子力学的规则,比如原子核,就有独特的小伎俩:他们可以通过一种被称为「量子隧穿」的过程,轻松地穿越这种屏障,而这实际上就是他们的波粒二象性使他们获得的这种能力。就像是波可以经过物体四周流过诸如海岸上的鹅卵石的物体一样,波也可以穿过物体。比如声波,可以穿过你家的墙壁,让你听到邻居家电视的声音。当然,携带着声波的空气并不会穿越墙壁,穿过墙壁的不过是空气中的振动——声音——这就导致了你的墙也开始震动,从而推动你的房间里的空气振动,传递起同样声波并最终进入你的耳朵。但如果你能使你的行为和原子核的行为一样的话,那你就可以像幽灵一样笔直地穿过固体墙壁了。一个太阳内部的氢原子核想方设法精确地完成以下行动:把自己传播出去,并且像幻影一般「渗透」过能量障壁,靠近自己身处另一边的搭档,靠得足够近了,二者就可以结合。所以,当你下次在沙滩做日光浴时,观察下拍打着海岸的波浪,想想那些量子粒子骇人的波形式运动,正是有了它们,才不仅仅使你可以高高兴兴地享受大好阳光,更让这颗星球上的万物生灵的生存成为了可能。

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