第33章
量子无处不在：从微观到宏观

原子弹、氢弹是经典方法操控的量子神奇。人们借助机械装置，由宏观侵入微观并操控，实现经典侵入并操控量子，再进而由微观量子效应放大跨越到宏观并加以释放，最终显示由微观到宏观的巨大威力。可见，经典可以跨越进入微观，量子也可由微观进入宏观，经典和量子是互补并双向的。量子效应依赖尺度但又跨越尺度。量子主要在微观，但不局限于微观；经典主要在宏观，但也不限于宏观。2013年的诺贝尔化学奖就是表彰用经典和量子的方法结合解决基于蛋白结构的药物设计。

第一个质疑挑战“单个粒子是量子，而一大团粒子就成经典”传统思考习惯的，是著名的“薛定谔的猫”思想实验。其将量子效应从微观世界“传导”到宏观世界，把量子效应放大拓展到日常世界。

薛定谔用他那虚拟的猫，来揭示量子世界与经典世界的差异和贯通。决定猫生死的各因素，存在着与物体和环境的相互作用。比如猫的身体会反射光子影响视觉信息，猫与外界热交换影响体温等生命信息。这些不断向周围泄露猫的讯息，均属于经典物理范畴，从而共同掩盖了量子效应。这表明状态的生与死的相叠加，在信息泄露过程，即开窗观察阶段中被损坏，即存在量子的“退相干”。尺度越大，泄露的信息更多，越容易发生退相干。如此种信息泄露被消除，则人们就能看到量子特性的真容。

诺贝尔物理学奖获得者维格纳在薛定谔的猫的基础上，又思想实验出了一个爱猫的“维格纳的朋友”戴着防毒面具和猫一起在箱中，箱外的维格纳猜测此朋友正处于“喜见活猫”和“悲见死猫”的混合态。可事后那朋友肯定会否认这叠加态。维格纳指出，当朋友的意识包含在整个系统中，叠加态就不存在，因箱子里的波函数因为朋友的观测而不断被微扰，猫只有活或者死某个纯态的可能。维格纳由此发表了论文《灵魂与身体关联问题注解》。

1935年薛定谔在有关“猫”的论文中还创造了量子效应的“纠缠”这个词。多粒子组成的经典体系至少原则上可区分，而量子体系则可能不可区分。这导致无论这些粒子相隔多遥远，合为一体，它们始终都是一个整体或者运动，这让爱因斯坦始终耿耿于怀而不愿接受。2003年，英国伦敦大学学院的埃普利和同事证明，只要减少或用某种方式抵消信息泄露，就能让更大的体系维持纠缠。人们现在已能在更大、温度更高的各种体系中观察到量子纠缠，从电磁阱中的离子，到光晶格中的超冷原子，再到超导量子点。如果将上述实验思路进一步放大，让数目无数的原子纠缠起来，使大块固体材料在室温下纠缠，如此现象甚至可能推及大而温暖的生命体。

知更鸟被称为薛定谔鸟，来回迁徙长达13000公里，它们不辨南北磁极，但对地磁倾角有反应，进而导航。2000年，德国化学家舒特恩和学生丽兹的论文展示了在鸟眼中，光是如何影响量子缠结导航的。在2004年，丽兹与合作者实验证明，知更鸟每年全球迁徙，的确存在“量子纠缠”作用。2018年，人们发现鸟类眼细胞中存在一种感光色素蛋白，其发挥导航作用，鸟类可能依赖其自由基自旋即量子纠缠而实现导航，其纠缠持续时间比先进的实验室设备还要长整整20微秒，使得鸟们能辨别地球磁场，“看清”回家的路线。

据研究，许多鸟、鱼、昆虫和动物，都以如此方式靠地球磁场寻找方向。

为缩小量子力学和人类现实感之间的距离，有人设计了一种肉眼可见的量子机械，即让极小的半导体“量子鼓”，同时处在振动和不振动的叠加态。该成果被《科学》评为2010年十大科学突破之首。

一般说，量子力学是微观世界的法则，它描述粒子、原子和分子，但对于花朵、动物或星球这样的宏观物体时，就得让位于经典理论了。似乎在分子和宏观物体之间有一道无形的篱笆阻隔，奇异的量子行为到此落幕，而我们熟悉的经典物理从此启始。量子力学仅限于微观世界，过去似乎已经成为科学界和大众科学传播中的普及观点。

实际上，量子效应在宏观世界也同样出现，比如激光、超导，又如人们就实现了的宏观量子效应—量子通讯的一千公里量子纠缠，人们发现，量子不仅驾驭微观世界的粒子，同样维系宏观世界的世间万物，以及芸芸众生。

显然，简单按照尺度大小，把世界划分为量子和经典虽然简单，但却不符合事实。在现代大多数物理学家眼里，经典物理、经典力学已经无法和量子力学平起平坐，经典力学只不过是对量子力学的一种有效近似，世界本身在所有尺度上都是量子的。人们之所以在宏观世界中很难观察到量子效应，与量子系统之间的相互作用方式有关，而与尺度无太大关系。量子效应已经延续至宏观系统，如今在宏观尺度下展现量子效应已很平常。量子效应甚至参与了每一个细胞的运转，其分布范围之广，超出所有人的想象。

经典物理中，时间和空间是两个基本概念，但在量子力学中，时空只能让位于纠缠而排在后面，因为纠缠无须时空即可将量子体系连接在一起。显然量子力学适用于所有尺度，那么人们如何去解释大尺度的宏观经典规律的存在？因为推导无法直接从原子跳跃到长颈鹿。有科学家理论计算定义了“宏观程度”的量级。人们观察到过碳60分子（C60）的干涉条纹，证明其具有量子性，其宏观程度为12，“薛定谔的猫”的宏观程度为57。人们需要检验更大物体的量子性，而把“宏观”极限推得更远。所以，最简单的方式，是不论微观还是宏观，符合经典的用经典，符合量子的用量子，这样不会有大的差错。

在微观量子世界里，物质的行为方式几乎完全不同于我们熟悉的宏观世界，怪异到几乎是不可能。比如一个粒子，可以瞬间消失或者凭空出现，可以同时存在于两个不同的位置。人们似乎认为这些怪异的量子效应仅存在于微观世界，人类生活的宏观世界平静如水，似乎是“经典”物理的一统天下。然而事实并非如此。量子效应距离我们的生活和宏观世界很近很近，不仅仅包括超导、激光、二极管等，可能还存在于我们熟视无睹的光合作用、鸟类迁徙、嗅觉感知等方面。

光合作用是地球上最重要的生化反应。光能源运输的过程极其高效，接近100%。加州大学伯克利分校弗莱明发现在植物和光合作用型细菌中，几乎全部光能都能传到光合反应中心。实验中的“量子鼓点”表明，光子能量不是通过单一路径传入光合中心的，而是利用量子相干性同时从所有可能的路径进行传递。麻省理工学院Seth Lloyd肯定“量子鼓点”确是量子纠缠的信号。

高效光合作用背后的“量子漫步”效应，就是利用了“量子叠加”“量子纠缠”特性。植物叶片上受光激发的所有各类电子，能各寻路径前往化学反应中心，经典物理无法解释这些电子几近完美的100%工作效率。量子生物学揭示，一个光量子能在极短时间内同时探寻到达细胞内部每个地点的无数道路，进而作最优选择，而不必先后分步“侦察”探寻每一个地点，让量子粒子几乎能够瞬间找到最佳路径，极大压缩通过时间，最大限度减少了与细胞内壁碰撞可能，减少能量损失，从而使得光合作用的效率奇高无比。光合这种“量子漫步”发生在潮湿、温暖、生机勃勃的细胞环境，而非高度受控的苛刻环境，确实令人惊奇。

嗅觉背后的操控者可能是量子隧穿效应。嗅觉的传统理论认为，气味分子会被味觉受体探测到，靠的是鼻子内一种“钥匙—锁”结合机制，但它解释不了外形相似的分子经常会闻起来不一样。许多气味分子外观上几乎完全一样，只是多了一个或两个原子，但结果却是完全不同的气味。希腊化学家都灵认为光凭分子结构无法确定其表现出来的气味，而分子内部的一些化学键的性质可能是关键。新学说认为，感受器也许是对分子振动做出回应，都灵提出振动可能会促进电子的量子隧道效应，打开嗅觉的“锁”。例证是，果蝇可以分辨形状完全相同、元素相同但不同同位素差异的气味分子。气味分子进入人的鼻腔与一个接收器分子相结合时，特定化学键的能量共振，使得接收器分子一侧的电子迅速移动到另一侧，发生了“量子隧穿效应”。进一步的预测和验证，硼烷闻上去的味道和臭鸡蛋很像，但硼烷的化学结构与硫磺完全不同，两者共同之处，是都拥有相近的共振频率。

酶是生命的必备成分，酶能在几秒内就催化完成花数千年才能完成的过程，使反应加快几万亿倍。加州大学伯克利分校的克兰曼和曼彻斯顿大学的斯克鲁顿等人发现，酶靠的是量子隧道效应。酶在生物化学反应中建立了一个直接送达的新过程：电子和质子从生化分子某处消失，瞬间在另一个地方出现，而不必经过中间任何过程和任何地方。

薛定谔认为生命突变可能与一种量子跃迁有关。而在沃森和克里克那篇经典的DNA文章中，就提出基因突变涉及碱基“互变异构”，而互变异构过程被认为与量子隧穿效应有关。

宏观量子现象难以觉察的另外一个原因是，日常所见的宏观物体，均由服从量子力学规律的细小微观粒子所组成，但由于其空间尺度远远大于这些细小微观粒子的德布罗意波长，这些粒子的量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了。因此，在一般通常的条件下，物体宏观整体上并不呈现量子效应。但在某些特殊情况或者条件下，如温度降至很低时或粒子密度变得很大等特殊条件下，宏观物体的个体组分就会波相相干地叠加结合起来，通过长程关联或重组进入到能量较低的量子态，如同形成一个有机的整体，从而使整个系统表现出惊奇独特的量子性质。例如，超流性、超导电性、原子气体的玻色—爱因斯坦凝聚和约瑟夫逊效应等都是宏观量子效应。

我由此曾试图对海边的如云鸟群的奇特行为进行推测。海边密密麻麻成群如云的小鸟们，会在整齐的急行飞翔中，突然转向，突然回旋，整齐如一只鸟般，即使同时接到命令，如此大范围瞬时一起反应行动，能做到分毫不差，超出惊奇，此用传统的物理难以解释。而如果基于某些鸟类具有量子导航的能力，这种情况就很好理解，解释也非常简洁。因为，无数鸟在飞行中形成了量子纠缠，可能呈现了一种宏观量子效应，能够整体运动如一只鸟那样，对外界刺激进行迅速反应或者自主瞬间调整行为。

人的睡眠，每1.5个小时一个节律，这很像量子性，随着尺度的加大，就成了周期律。能贯穿微观到宏观的共同规律，就是周期，世界是由不同的大小节律周期所组成。