LifeOnTheEdge 1-3

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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（越往后专业词汇越多了……力不从心，亟待修正（尤其是语言通顺上的），现在先凑合看吧）

第三个例子有点像是在讲故事，但阐明了量子世界的一个怪诞的特征：一种被称为叠加的现象，粒子可以同时做两件事情——或者一百件事，又或者一百万件事——就在同一时刻。有这样一件事实，可以由这个特征来解释：我们的宇宙极其复杂而又有趣，宇宙大爆炸后不久，空间中仅仅充斥着一种结构最简单的原子：氢原子，仅由一个带正电的质子和一个带负电的电子组成。那是一个相当昏暗沉闷的世界，既没有恒星也没有行星，自然也没有什么活着的生命体。因为，元素是构成我们身边一切——包括我们自己在内——的基石，构成一切的组分不止有氢，还有其他的更重的元素，比如碳、氧和铁。幸运的是，这些重元素会在充满氢元素的恒星里被煮熟，而且生成他们的原料也已备好，就是一种被称为氘的重氢同位素，现在，只缺一点让他们出现的量子魔法了。

配方的第一步就是我们之前说过的，当两个氢原子核，也就是质子，通过量子隧穿效应靠得足够近时，就可以释放出能量，这股能量变为阳光，温暖我们的星球。之后，两个质子就不得不结合在一起了，不过这并不简单，因为二者之间的力还不足以强大到把他们粘连在一起。所有的原子核都是由两种粒子组合而成的：质子以及它的电中性搭档中子。如果一个原子核中二者其中一种粒子数量过多，那么根据量子力学原理，为了调整平衡，超额的粒子就会变为另一种形式：质子变为中子，又或者中子变为质子。这个过程叫做β衰变，在两个质子靠近之后，这一过程将会精确地发生：两个质子不能共存，于是其中之一通过β衰变变为中子，剩下的那个质子和新生成的中子就可以结合而成一个氘原子核了，之后的深层核反应就可以去生成更多复杂的其他元素的原子核，从氦（其原子核带有两个质子和一个或两个中子）到碳、氮、氧……等等。

关键点就是，氘原子核之所以能存在，就是因为它在量子叠加的效应下，拥有同时处于两种状态的能力。质子和中子可以用两种不同的方式结合在一起，这两种方式的区别就是他们自旋的方式。我们接下来就要见识一下「量子自旋」这一概念和我们平时所熟悉的大物体的自旋，比如网球的自旋有何不同，不过现在我们先跟着我们的经典直觉走，想象一下粒子的自旋：质子和中子在氘原子核内，像是在进行着精心设计的缓慢而亲密的华尔兹和更快的摇摆舞的组合，开始了自旋。然而1930年年末的发现指出，氘原子核内部的两个粒子并没有仅以二者之一的方式运动，而是同时以两种状态跳起了舞来——就像是一个人同时挑起了华尔兹和摇摆舞一样——也正因此，他们得以结合在一起。

对于这一现象，一个很常见的回应就是：「我们是怎么知道的？」的确，原子核程度的大小实在是太小了，以致我们无法观察，所以看上去似乎在我们对于核力的理解中，是不是有更可靠的猜想呢？答案是否定的，因为这一点已经被许多实验室已经一次又一次地证实了，如果质子和中子的只是表现得像是量子华尔兹或者量子摇摆舞那样运动，那么他们之间的核「胶水」并不足以把它们结合在一起，只有当它们互相都处于两种状态的叠加——这两种现象同时出现之时——结合在一起的力才足够强大。想想两个现象叠加在一起的情况吧，黄加蓝，变绿！你知道的，绿色不过是两种原色组合而成的颜色，既不是蓝色也不是绿色，而且绿色与蓝色的配比不同也会使绿色的深浅不一。同样地，氘原子核结合时，多数质子和中子都被锁定在华尔兹的状态下，只有一少部分跳起了摇摆舞。

所以如果粒子不能同时跳起摇摆舞和华尔兹，我们的宇宙就将会只剩下一地氢气，除此之外一无所有了——既没有恒星闪耀着，也没有其他元素构成你我，来让你读我们写的这本书了。我们之所以存在，就是因为质子和中子有反直觉的量子化行为所赋予他们的这些能力。

最后一个例子，就要把我们带回技术世界了。开发量子世界的性质，不仅能使我们看到病毒那样的微小物体，还可以让我们一窥自己身体内部的究竟。磁共振成像（MRI）是一种医用扫描技术，可以生成包含大量细节的软组织图像。磁共振成像扫描被日常用于诊断疾病，特别是侦测内部器官的肿瘤。很多关于磁共振成像的不专业的说法都没有提到，这一技术实际上是依赖于奇妙的量子世界原理工作的。磁共振成像使用巨大的强磁场来使患者体内的氢原子核自旋轴线排成一行，之后，这些原子被无线电波脉冲震击，这一震击迫使并排的原子核以一种同时向两个方向自旋的奇怪的量子状态出现。尝试去形象化这一过程是毫无意义的——毕竟这太远离我们的日常生活经验了！重要的是，当原子核放松回到他们最初的状态——也就是他们受到使它们变为量子叠加态的脉冲能量之前的状态——的时候，他们释放了能量，这些能量会被磁共振成像扫描仪里面的电子扫描仪捕捉，并用它们绘制出你的体内器官的具体图像。

所以，如果你自己有朝一日躺在过磁共振成像扫描仪上，或许你可以听听耳机里传来的音乐，同时想一想亚原子粒子反常识的量子行为吧，是它使磁共振成像扫描这一技术成为了可能。

量子生物学

欧洲知更鸟又是如何通过这些奇妙的量子效应进行全球导航的呢？好的，你应该还记得Wiltschkos夫妇在1970年的研究成果，他们证实了知更鸟的磁感应工作原理和磁倾角指南针相同。在当时，这实在是非常令人费解，因为没人知道生物磁倾角指南针是如何工作的。然而，几乎是同一时间，德国科学家Klaus Schulten对电子在自由基的化学反应中如何转移产生了兴趣，这些在分子的外电子壳层中持有的单个电子，与多数在原子轨道中配对的电子形成鲜明对比。当考虑奇异的量子自旋效应时，这十分重要，因为配对的两个电子总是会趋于朝相反的方向自旋，所以他们的总自旋就抵消为零了。但，如果没有双生的自旋相抵，在自由基中的单个电子，将会拥有一个净自旋，净自旋将会赋予他们一种磁性：他们的自旋可以与磁场对准。

Schulten提出，一对由快速三重反应过程生成的自由基可以使他们的对应的电子「量子纠缠」。由于一些接下来我们会解释清楚的微妙理由，这样的两个处于精致的量子状态的分开的电子，对任何方向的外部磁场都很敏感。之后，Schulten继续提出，鸟类的谜之指南针或许就是使用这样的纠缠机制工作的。

我们之前并没有提到过量子纠缠，因为它很可能是量子力学中最奇怪的特征。它允许两个曾经在一起的粒子，尽管已经分开并相距甚远，依然可以保留一种瞬间生效、几乎是魔法一样的相互通信能力。比如，两个粒子曾经靠的很近，然而之后分离开了，即使他们分别位于宇宙对立的两个边界的尽头，原则上讲，依然可以相互联络。具体效果大概就是，戳一下其中一个粒子，就会促使他远方的搭档立刻跳起来。量子先锋们自然地遵循公式，展示出了其纠缠效应，但是它的含义实在是过于异于常识，即便是给我们带来了黑洞和超时空旅行的爱因斯坦都拒绝接受它，并嘲笑说这是「鬼魅般的超距作用」。确实，这种鬼魅般的超距作用经常激起「量子神秘主义者」们的兴趣，让他们对量子纠缠效应做出过度的解读，比如其中有很大一部分，都是一些诸如心灵感应之类的超自然「现象」。爱因斯坦对此表示怀疑，因为量子纠缠是违反它的相对论的，即没有任何影响和信号可以以超光速在空间中传播。根据爱因斯坦的说法，相距甚远的粒子不会瞬间建立起鬼魅般的连接。然而在这一点上，爱因斯坦错了：根据经验，我们知道量子粒子确实可以拥有瞬间的超远程链接。但是，就像你好奇的那样，量子纠缠并不能证实心灵感应的存在。