量子力学导致基因突变?科学家们掌握了一些证据

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国

癌症令人闻之色变,而量子力学又是大热的研究领域,把癌症和量子力学结合在一起,很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。

但是一些学者却指出,量子力学可能是 DNA 发生突变,导致复制错误的物理原理,他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。

图片来源:getty

21世纪的化学家们大都同意,量子力学在化学中具有核心位置。比如,量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础,因此不难想象,量子力学也是生化反应的根基。

但是,随着分子越来越大,量子相干就变得难以维持,所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释,而只要用经典的球棍模型就可以了。

图片来源:pixabay

在20年前,想要用量子力学来解释生物过程,不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为,量子力学在微观上有用,在宏观世界,比如生物世界的作用是微不足道的。

他们这样看也不无道理。举个例子,在微观世界,粒子有一定几率可以“穿墙”,这叫做量子隧穿。

虽然生物也是由粒子构成的,但是当粒子数增加时,穿墙的可能性也跟着减小了,因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙。

英国萨里大学的物理学家 Jim Al-Khalili 回忆:“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向,他们认为这太扯了。”

可是近20年来,研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用,尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

图片来源:pixabay

在光合作用中,能吸收光子的光敏分子,如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子,其中一小部分光子的能量被转化为热量,也就是分子的振动,而大部分则变成了激子,也就是一种类似于粒子的能量包。

传统理论中,在叶绿素发色团(绿色)间传递的激子(红色)一步一步走到反应中心(橙色)。图片来源:LUCY READING-IKKANDA

激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心,才能被用于生命活动。可是,发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素(见上图),而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心,需要穿越其他发色团。

传统生物理论认为,激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花,从一个发色团传给另一个,直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做 Förster 耦合。

可是问题来了,激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地,而每转手一次,就会损失一次能量。也就是说,走的冤枉路越多,光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量传输过程真的如此,那么它的理论效率就只有50%。

但是,光合作用的效率是95%,超过人类已知的其他能量转化效率,而且发生十分迅速,这是传统理论无法解释的矛盾。

加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Graham Fleming 如此驳斥传统模型:“经典的跳跃模型不正确也不充分,它对真实过程的描述是错误的,而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释。”

可是长久以来,大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿。但是在2007年,这种看法被打破了。Fleming 的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌 Chlorobium tepidium 发现,激子的传递过程实际上利用的是量子相干性。

图片来源:britannica

原来,激子具有波粒二象性,它类似于一个向四面八方传播的涟漪,可以同时探索池塘内,也就是天线色素中的各种通道,找到到达光合反应中心最有效的一条途径。

在量子理论中,激子可以同时计算各种路径,找到到达光合反应中心(橙色)最有效的那一条。 图片来源:LUCY READING-IKKANDA

Fleming 解释:“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用,揭示了能量传输的效率。(激子)可以同时搜索所有的能量传输通道,找到其中最有效率的那条。”

2010年,多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现,海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。

就这样在短短的20年里,量子生物学的名词被创造了出来,并成了一个欣欣向荣的学科分支。研究者们也发现了越来越多的传统理论无法解释,但可由量子力学解释的生物现象,比如酶的催化效率、嗅觉的机制、鸟类对地球磁场的感受。

欧亚鸲(Erithacus rubecula)能感受地球的磁场,但却无法分辨南北,这个现象很难用经典理论解释,但却可以用量子力学说明。图片来源:pixabay

其中,量子力学能解释的一个重要问题,就是 DNA 突变。

DNA 的双螺旋结构类似于一个旋转上升的梯子,梯子的每个“台阶”实际上是氢键。氢键其实就是连接左右两个碱基的一个质子,而这个质子通常略微更靠近台阶的某一边。

DNA 上的氢键和碱基(AGCT) 图片来源:harvard.edu

1963年,诺贝尔物理学奖委员会成员、瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁(Per-Olov Löwdin)在发表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一种理论设想:在 DNA 复制的过程中,氢键上的质子可能处于某些量子态之中,如果这个质子靠近“台阶”错误的一边,那么 DNA 就会发生变异,而质子的这种错误可由量子隧穿实现。

具体来说,在 DNA 复制时,碱基之间的氢键断裂,可以和新的核苷酸组合。正常情况下,碱基 A(腺嘌呤)和 T(胸腺嘧啶)结合,C(胞嘧啶)和 G(鸟嘌呤)结合。

但是,核苷酸可能因为质子隧穿而发生改变,A 就会变成 A*,T 变成 T*。让勒夫丁感到担忧的质子的这种乱来就叫做互变异构化(tautomerization)

正常A-T碱基对(上)和互变异构化后的A*-T*碱基对(下)。图片来源:(DOI)10.1039/C5CP00472A 

别看只是头上戴了朵花,整个碱基的气质都会发生变化。和 A 不同,A* 不愿意和正经对象 T 结合,而更容易和 G 的对象 C 结合。而 T* 也看不上 A,更容易和 G 结合,整一个大乱炖,这就会导致突变。

勒夫丁的这种设想有没有道理呢?30年后出现了一些间接证据。

在过去,生物学家接受的普遍教育是,突变应该是随机发生的,因此各种突变的发生概率应该差不多,正如理查德·道金斯在著作 《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中提出的那样,evolution is blind(演化是盲目的)

可是在1988年,哈佛大学的生物学家 John Cairns 和同事发现了一个不符合传统进化论的奇特现象:大肠杆菌(E. coli)可以迅速获得有利突变。

他们将无法消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿里。结果,这些大肠杆菌出现了能够消化乳糖的突变,而这个突变的发生速度远超理论预期,也就是突变随机发生的情况。他们的这一研究发表在 Nature 上。

大肠杆菌 图片来源:wikimedia

为了解释结核菌的这种奇怪突变,英国萨里大学的生物学家 Johnjoe McFadden 想到,这或许和量子力学有关。于是,他开始向该校物理系的学者们求助。Al-Khalili 对 McFadden 的看法很感兴趣,就这样,两人开始搭伙研究。

利用勒夫丁的理论,Al-Khalili 和 McFadden 提出,实际上在观测之前,DNA 氢键上的质子处于叠加态中,也就是说它并没有确定自己会倒向突变的那一边,还是没有突变的那一边。

图片来源:getty

以不会吃乳糖的大肠杆菌为例。在遇到乳糖前,大肠杆菌处于既有可能消化乳糖,也有可能无法消化乳糖的叠加态。Al-Khalili 和 McFadden 继而通过计算指出,乳糖分子的存在使质子的状态向能够消化乳糖的方向塌缩,这就解释了为什么大肠杆菌的变异速度超过经典理论的预期。

在这些研究的鼓舞下,一些雄心勃勃的研究者认为,在攻克癌症方面量子力学将是一个突破口。2013年,慕尼黑大学的化学家 Frank Trixler 甚至提出,DNA 的氢键上发生的质子隧穿现象正是物种演化的起源。

图片来源:wikimedia

不过,关于量子世界是否支配一些基本的生物过程,学术界还有相当大的争议。量子生物学需要更多的证据才能支撑这些大而美的假说。

在谜底揭晓前,让我们暂时享受这叠加着期待和怀疑的奇妙等待吧。

常因不够变态而感到和环境格格不入?可能是你的 DNA 还没有学会量子隧穿。

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

量子力学导致基因突变?科学家们掌握了一些证据

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国

癌症令人闻之色变,而量子力学又是大热的研究领域,把癌症和量子力学结合在一起,很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。

但是一些学者却指出,量子力学可能是 DNA 发生突变,导致复制错误的物理原理,他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。

图片来源:getty

21世纪的化学家们大都同意,量子力学在化学中具有核心位置。比如,量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础,因此不难想象,量子力学也是生化反应的根基。

但是,随着分子越来越大,量子相干就变得难以维持,所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释,而只要用经典的球棍模型就可以了。

图片来源:pixabay

在20年前,想要用量子力学来解释生物过程,不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为,量子力学在微观上有用,在宏观世界,比如生物世界的作用是微不足道的。

他们这样看也不无道理。举个例子,在微观世界,粒子有一定几率可以“穿墙”,这叫做量子隧穿。

虽然生物也是由粒子构成的,但是当粒子数增加时,穿墙的可能性也跟着减小了,因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙。

英国萨里大学的物理学家 Jim Al-Khalili 回忆:“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向,他们认为这太扯了。”

可是近20年来,研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用,尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

图片来源:pixabay

在光合作用中,能吸收光子的光敏分子,如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子,其中一小部分光子的能量被转化为热量,也就是分子的振动,而大部分则变成了激子,也就是一种类似于粒子的能量包。

传统理论中,在叶绿素发色团(绿色)间传递的激子(红色)一步一步走到反应中心(橙色)。图片来源:LUCY READING-IKKANDA

激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心,才能被用于生命活动。可是,发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素(见上图),而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心,需要穿越其他发色团。

传统生物理论认为,激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花,从一个发色团传给另一个,直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做 Förster 耦合。

可是问题来了,激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地,而每转手一次,就会损失一次能量。也就是说,走的冤枉路越多,光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量传输过程真的如此,那么它的理论效率就只有50%。

但是,光合作用的效率是95%,超过人类已知的其他能量转化效率,而且发生十分迅速,这是传统理论无法解释的矛盾。

加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Graham Fleming 如此驳斥传统模型:“经典的跳跃模型不正确也不充分,它对真实过程的描述是错误的,而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释。”

可是长久以来,大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿。但是在2007年,这种看法被打破了。Fleming 的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌 Chlorobium tepidium 发现,激子的传递过程实际上利用的是量子相干性。

图片来源:britannica

原来,激子具有波粒二象性,它类似于一个向四面八方传播的涟漪,可以同时探索池塘内,也就是天线色素中的各种通道,找到到达光合反应中心最有效的一条途径。

在量子理论中,激子可以同时计算各种路径,找到到达光合反应中心(橙色)最有效的那一条。 图片来源:LUCY READING-IKKANDA

Fleming 解释:“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用,揭示了能量传输的效率。(激子)可以同时搜索所有的能量传输通道,找到其中最有效率的那条。”

2010年,多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现,海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。

就这样在短短的20年里,量子生物学的名词被创造了出来,并成了一个欣欣向荣的学科分支。研究者们也发现了越来越多的传统理论无法解释,但可由量子力学解释的生物现象,比如酶的催化效率、嗅觉的机制、鸟类对地球磁场的感受。

欧亚鸲(Erithacus rubecula)能感受地球的磁场,但却无法分辨南北,这个现象很难用经典理论解释,但却可以用量子力学说明。图片来源:pixabay

其中,量子力学能解释的一个重要问题,就是 DNA 突变。

DNA 的双螺旋结构类似于一个旋转上升的梯子,梯子的每个“台阶”实际上是氢键。氢键其实就是连接左右两个碱基的一个质子,而这个质子通常略微更靠近台阶的某一边。

DNA 上的氢键和碱基(AGCT) 图片来源:harvard.edu

1963年,诺贝尔物理学奖委员会成员、瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁(Per-Olov Löwdin)在发表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一种理论设想:在 DNA 复制的过程中,氢键上的质子可能处于某些量子态之中,如果这个质子靠近“台阶”错误的一边,那么 DNA 就会发生变异,而质子的这种错误可由量子隧穿实现。

具体来说,在 DNA 复制时,碱基之间的氢键断裂,可以和新的核苷酸组合。正常情况下,碱基 A(腺嘌呤)和 T(胸腺嘧啶)结合,C(胞嘧啶)和 G(鸟嘌呤)结合。

但是,核苷酸可能因为质子隧穿而发生改变,A 就会变成 A*,T 变成 T*。让勒夫丁感到担忧的质子的这种乱来就叫做互变异构化(tautomerization)

正常A-T碱基对(上)和互变异构化后的A*-T*碱基对(下)。图片来源:(DOI)10.1039/C5CP00472A 

别看只是头上戴了朵花,整个碱基的气质都会发生变化。和 A 不同,A* 不愿意和正经对象 T 结合,而更容易和 G 的对象 C 结合。而 T* 也看不上 A,更容易和 G 结合,整一个大乱炖,这就会导致突变。

勒夫丁的这种设想有没有道理呢?30年后出现了一些间接证据。

在过去,生物学家接受的普遍教育是,突变应该是随机发生的,因此各种突变的发生概率应该差不多,正如理查德·道金斯在著作 《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中提出的那样,evolution is blind(演化是盲目的)

可是在1988年,哈佛大学的生物学家 John Cairns 和同事发现了一个不符合传统进化论的奇特现象:大肠杆菌(E. coli)可以迅速获得有利突变。

他们将无法消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿里。结果,这些大肠杆菌出现了能够消化乳糖的突变,而这个突变的发生速度远超理论预期,也就是突变随机发生的情况。他们的这一研究发表在 Nature 上。

大肠杆菌 图片来源:wikimedia

为了解释结核菌的这种奇怪突变,英国萨里大学的生物学家 Johnjoe McFadden 想到,这或许和量子力学有关。于是,他开始向该校物理系的学者们求助。Al-Khalili 对 McFadden 的看法很感兴趣,就这样,两人开始搭伙研究。

利用勒夫丁的理论,Al-Khalili 和 McFadden 提出,实际上在观测之前,DNA 氢键上的质子处于叠加态中,也就是说它并没有确定自己会倒向突变的那一边,还是没有突变的那一边。

图片来源:getty

以不会吃乳糖的大肠杆菌为例。在遇到乳糖前,大肠杆菌处于既有可能消化乳糖,也有可能无法消化乳糖的叠加态。Al-Khalili 和 McFadden 继而通过计算指出,乳糖分子的存在使质子的状态向能够消化乳糖的方向塌缩,这就解释了为什么大肠杆菌的变异速度超过经典理论的预期。

在这些研究的鼓舞下,一些雄心勃勃的研究者认为,在攻克癌症方面量子力学将是一个突破口。2013年,慕尼黑大学的化学家 Frank Trixler 甚至提出,DNA 的氢键上发生的质子隧穿现象正是物种演化的起源。

图片来源:wikimedia

不过,关于量子世界是否支配一些基本的生物过程,学术界还有相当大的争议。量子生物学需要更多的证据才能支撑这些大而美的假说。

在谜底揭晓前,让我们暂时享受这叠加着期待和怀疑的奇妙等待吧。

常因不够变态而感到和环境格格不入?可能是你的 DNA 还没有学会量子隧穿。

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

量子力学导致基因突变?科学家们掌握了一些证据

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国

癌症令人闻之色变,而量子力学又是大热的研究领域,把癌症和量子力学结合在一起,很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。

但是一些学者却指出,量子力学可能是 DNA 发生突变,导致复制错误的物理原理,他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。

图片来源:getty

21世纪的化学家们大都同意,量子力学在化学中具有核心位置。比如,量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础,因此不难想象,量子力学也是生化反应的根基。

但是,随着分子越来越大,量子相干就变得难以维持,所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释,而只要用经典的球棍模型就可以了。

图片来源:pixabay

在20年前,想要用量子力学来解释生物过程,不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为,量子力学在微观上有用,在宏观世界,比如生物世界的作用是微不足道的。

他们这样看也不无道理。举个例子,在微观世界,粒子有一定几率可以“穿墙”,这叫做量子隧穿。

虽然生物也是由粒子构成的,但是当粒子数增加时,穿墙的可能性也跟着减小了,因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙。

英国萨里大学的物理学家 Jim Al-Khalili 回忆:“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向,他们认为这太扯了。”

可是近20年来,研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用,尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

图片来源:pixabay

在光合作用中,能吸收光子的光敏分子,如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子,其中一小部分光子的能量被转化为热量,也就是分子的振动,而大部分则变成了激子,也就是一种类似于粒子的能量包。

传统理论中,在叶绿素发色团(绿色)间传递的激子(红色)一步一步走到反应中心(橙色)。图片来源:LUCY READING-IKKANDA

激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心,才能被用于生命活动。可是,发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素(见上图),而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心,需要穿越其他发色团。

传统生物理论认为,激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花,从一个发色团传给另一个,直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做 Förster 耦合。

可是问题来了,激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地,而每转手一次,就会损失一次能量。也就是说,走的冤枉路越多,光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量传输过程真的如此,那么它的理论效率就只有50%。

但是,光合作用的效率是95%,超过人类已知的其他能量转化效率,而且发生十分迅速,这是传统理论无法解释的矛盾。

加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Graham Fleming 如此驳斥传统模型:“经典的跳跃模型不正确也不充分,它对真实过程的描述是错误的,而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释。”

可是长久以来,大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿。但是在2007年,这种看法被打破了。Fleming 的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌 Chlorobium tepidium 发现,激子的传递过程实际上利用的是量子相干性。

图片来源:britannica

原来,激子具有波粒二象性,它类似于一个向四面八方传播的涟漪,可以同时探索池塘内,也就是天线色素中的各种通道,找到到达光合反应中心最有效的一条途径。

在量子理论中,激子可以同时计算各种路径,找到到达光合反应中心(橙色)最有效的那一条。 图片来源:LUCY READING-IKKANDA

Fleming 解释:“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用,揭示了能量传输的效率。(激子)可以同时搜索所有的能量传输通道,找到其中最有效率的那条。”

2010年,多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现,海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。

就这样在短短的20年里,量子生物学的名词被创造了出来,并成了一个欣欣向荣的学科分支。研究者们也发现了越来越多的传统理论无法解释,但可由量子力学解释的生物现象,比如酶的催化效率、嗅觉的机制、鸟类对地球磁场的感受。

欧亚鸲(Erithacus rubecula)能感受地球的磁场,但却无法分辨南北,这个现象很难用经典理论解释,但却可以用量子力学说明。图片来源:pixabay

其中,量子力学能解释的一个重要问题,就是 DNA 突变。

DNA 的双螺旋结构类似于一个旋转上升的梯子,梯子的每个“台阶”实际上是氢键。氢键其实就是连接左右两个碱基的一个质子,而这个质子通常略微更靠近台阶的某一边。

DNA 上的氢键和碱基(AGCT) 图片来源:harvard.edu

1963年,诺贝尔物理学奖委员会成员、瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁(Per-Olov Löwdin)在发表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一种理论设想:在 DNA 复制的过程中,氢键上的质子可能处于某些量子态之中,如果这个质子靠近“台阶”错误的一边,那么 DNA 就会发生变异,而质子的这种错误可由量子隧穿实现。

具体来说,在 DNA 复制时,碱基之间的氢键断裂,可以和新的核苷酸组合。正常情况下,碱基 A(腺嘌呤)和 T(胸腺嘧啶)结合,C(胞嘧啶)和 G(鸟嘌呤)结合。

但是,核苷酸可能因为质子隧穿而发生改变,A 就会变成 A*,T 变成 T*。让勒夫丁感到担忧的质子的这种乱来就叫做互变异构化(tautomerization)

正常A-T碱基对(上)和互变异构化后的A*-T*碱基对(下)。图片来源:(DOI)10.1039/C5CP00472A 

别看只是头上戴了朵花,整个碱基的气质都会发生变化。和 A 不同,A* 不愿意和正经对象 T 结合,而更容易和 G 的对象 C 结合。而 T* 也看不上 A,更容易和 G 结合,整一个大乱炖,这就会导致突变。

勒夫丁的这种设想有没有道理呢?30年后出现了一些间接证据。

在过去,生物学家接受的普遍教育是,突变应该是随机发生的,因此各种突变的发生概率应该差不多,正如理查德·道金斯在著作 《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中提出的那样,evolution is blind(演化是盲目的)

可是在1988年,哈佛大学的生物学家 John Cairns 和同事发现了一个不符合传统进化论的奇特现象:大肠杆菌(E. coli)可以迅速获得有利突变。

他们将无法消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿里。结果,这些大肠杆菌出现了能够消化乳糖的突变,而这个突变的发生速度远超理论预期,也就是突变随机发生的情况。他们的这一研究发表在 Nature 上。

大肠杆菌 图片来源:wikimedia

为了解释结核菌的这种奇怪突变,英国萨里大学的生物学家 Johnjoe McFadden 想到,这或许和量子力学有关。于是,他开始向该校物理系的学者们求助。Al-Khalili 对 McFadden 的看法很感兴趣,就这样,两人开始搭伙研究。

利用勒夫丁的理论,Al-Khalili 和 McFadden 提出,实际上在观测之前,DNA 氢键上的质子处于叠加态中,也就是说它并没有确定自己会倒向突变的那一边,还是没有突变的那一边。

图片来源:getty

以不会吃乳糖的大肠杆菌为例。在遇到乳糖前,大肠杆菌处于既有可能消化乳糖,也有可能无法消化乳糖的叠加态。Al-Khalili 和 McFadden 继而通过计算指出,乳糖分子的存在使质子的状态向能够消化乳糖的方向塌缩,这就解释了为什么大肠杆菌的变异速度超过经典理论的预期。

在这些研究的鼓舞下,一些雄心勃勃的研究者认为,在攻克癌症方面量子力学将是一个突破口。2013年,慕尼黑大学的化学家 Frank Trixler 甚至提出,DNA 的氢键上发生的质子隧穿现象正是物种演化的起源。

图片来源:wikimedia

不过,关于量子世界是否支配一些基本的生物过程,学术界还有相当大的争议。量子生物学需要更多的证据才能支撑这些大而美的假说。

在谜底揭晓前,让我们暂时享受这叠加着期待和怀疑的奇妙等待吧。

常因不够变态而感到和环境格格不入?可能是你的 DNA 还没有学会量子隧穿。

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

量子力学导致基因突变?科学家们掌握了一些证据

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:视觉中国

癌症令人闻之色变,而量子力学又是大热的研究领域,把癌症和量子力学结合在一起,很容易让人产生夸大其词、哗众取宠的联想。

但是一些学者却指出,量子力学可能是 DNA 发生突变,导致复制错误的物理原理,他们还得到了一些证据。我们一起来看看这是怎么回事。

图片来源:getty

21世纪的化学家们大都同意,量子力学在化学中具有核心位置。比如,量子相干和量子纠缠决定了共价键的形式。而化学又是生化过程的基础,因此不难想象,量子力学也是生化反应的根基。

但是,随着分子越来越大,量子相干就变得难以维持,所以大多数生化过程并不需要用物理学来解释,而只要用经典的球棍模型就可以了。

图片来源:pixabay

在20年前,想要用量子力学来解释生物过程,不管是在物理学界还是在生物学界都会遭到耻笑。当时的大多数学者认为,量子力学在微观上有用,在宏观世界,比如生物世界的作用是微不足道的。

他们这样看也不无道理。举个例子,在微观世界,粒子有一定几率可以“穿墙”,这叫做量子隧穿。

虽然生物也是由粒子构成的,但是当粒子数增加时,穿墙的可能性也跟着减小了,因此我们在日常生活中是不可能见到有什么生物能穿墙。

英国萨里大学的物理学家 Jim Al-Khalili 回忆:“当时物理学的老前辈们让我别碰这个方向,他们认为这太扯了。”

可是近20年来,研究者们发现了量子力学在某些生物过程中的重要作用,尤其是解决了生物学的一个大难题——光合作用的效率。

图片来源:pixabay

在光合作用中,能吸收光子的光敏分子,如叶绿素叫做发色团。发色团吸收特定波长的光子,其中一小部分光子的能量被转化为热量,也就是分子的振动,而大部分则变成了激子,也就是一种类似于粒子的能量包。

传统理论中,在叶绿素发色团(绿色)间传递的激子(红色)一步一步走到反应中心(橙色)。图片来源:LUCY READING-IKKANDA

激子这种能量包要被传导到一个集中处理站——光合反应中心,才能被用于生命活动。可是,发色团聚集成了一个类似于太阳能板的阵列——天线色素(见上图),而某个发色团产生的激子要到达光合反应中心,需要穿越其他发色团。

传统生物理论认为,激子在发色团之间的传递像是随机乱传的击鼓传花,从一个发色团传给另一个,直到最后到达光合反应中心。这个过程叫做 Förster 耦合。

可是问题来了,激子要经历成百上千的发色团才能到达目的地,而每转手一次,就会损失一次能量。也就是说,走的冤枉路越多,光合作用的效率就越低。如果光合作用的能量传输过程真的如此,那么它的理论效率就只有50%。

但是,光合作用的效率是95%,超过人类已知的其他能量转化效率,而且发生十分迅速,这是传统理论无法解释的矛盾。

加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Graham Fleming 如此驳斥传统模型:“经典的跳跃模型不正确也不充分,它对真实过程的描述是错误的,而且缺失了对光合作用无与伦比的效率的解释。”

可是长久以来,大家认为这个过程中没有量子力学什么事儿。但是在2007年,这种看法被打破了。Fleming 的团队利用能进行光合作用的绿硫细菌 Chlorobium tepidium 发现,激子的传递过程实际上利用的是量子相干性。

图片来源:britannica

原来,激子具有波粒二象性,它类似于一个向四面八方传播的涟漪,可以同时探索池塘内,也就是天线色素中的各种通道,找到到达光合反应中心最有效的一条途径。

在量子理论中,激子可以同时计算各种路径,找到到达光合反应中心(橙色)最有效的那一条。 图片来源:LUCY READING-IKKANDA

Fleming 解释:“量子相干性在光合作用的能量传递过程中起到了很大的作用,揭示了能量传输的效率。(激子)可以同时搜索所有的能量传输通道,找到其中最有效率的那条。”

2010年,多伦多大学的化学研究者 Gregory Scholes 和同事发现,海洋中隐藻门藻类也具有类似的量子相干性。

就这样在短短的20年里,量子生物学的名词被创造了出来,并成了一个欣欣向荣的学科分支。研究者们也发现了越来越多的传统理论无法解释,但可由量子力学解释的生物现象,比如酶的催化效率、嗅觉的机制、鸟类对地球磁场的感受。

欧亚鸲(Erithacus rubecula)能感受地球的磁场,但却无法分辨南北,这个现象很难用经典理论解释,但却可以用量子力学说明。图片来源:pixabay

其中,量子力学能解释的一个重要问题,就是 DNA 突变。

DNA 的双螺旋结构类似于一个旋转上升的梯子,梯子的每个“台阶”实际上是氢键。氢键其实就是连接左右两个碱基的一个质子,而这个质子通常略微更靠近台阶的某一边。

DNA 上的氢键和碱基(AGCT) 图片来源:harvard.edu

1963年,诺贝尔物理学奖委员会成员、瑞典物理学家佩尔-奥洛夫·勒夫丁(Per-Olov Löwdin)在发表在 Reviews of Modern Physics 上的一篇文章中提出一种理论设想:在 DNA 复制的过程中,氢键上的质子可能处于某些量子态之中,如果这个质子靠近“台阶”错误的一边,那么 DNA 就会发生变异,而质子的这种错误可由量子隧穿实现。

具体来说,在 DNA 复制时,碱基之间的氢键断裂,可以和新的核苷酸组合。正常情况下,碱基 A(腺嘌呤)和 T(胸腺嘧啶)结合,C(胞嘧啶)和 G(鸟嘌呤)结合。

但是,核苷酸可能因为质子隧穿而发生改变,A 就会变成 A*,T 变成 T*。让勒夫丁感到担忧的质子的这种乱来就叫做互变异构化(tautomerization)

正常A-T碱基对(上)和互变异构化后的A*-T*碱基对(下)。图片来源:(DOI)10.1039/C5CP00472A 

别看只是头上戴了朵花,整个碱基的气质都会发生变化。和 A 不同,A* 不愿意和正经对象 T 结合,而更容易和 G 的对象 C 结合。而 T* 也看不上 A,更容易和 G 结合,整一个大乱炖,这就会导致突变。

勒夫丁的这种设想有没有道理呢?30年后出现了一些间接证据。

在过去,生物学家接受的普遍教育是,突变应该是随机发生的,因此各种突变的发生概率应该差不多,正如理查德·道金斯在著作 《盲眼钟表匠》(The Blind Watchmaker)中提出的那样,evolution is blind(演化是盲目的)

可是在1988年,哈佛大学的生物学家 John Cairns 和同事发现了一个不符合传统进化论的奇特现象:大肠杆菌(E. coli)可以迅速获得有利突变。

他们将无法消化乳糖的大肠杆菌放在只有乳糖的培养皿里。结果,这些大肠杆菌出现了能够消化乳糖的突变,而这个突变的发生速度远超理论预期,也就是突变随机发生的情况。他们的这一研究发表在 Nature 上。

大肠杆菌 图片来源:wikimedia

为了解释结核菌的这种奇怪突变,英国萨里大学的生物学家 Johnjoe McFadden 想到,这或许和量子力学有关。于是,他开始向该校物理系的学者们求助。Al-Khalili 对 McFadden 的看法很感兴趣,就这样,两人开始搭伙研究。

利用勒夫丁的理论,Al-Khalili 和 McFadden 提出,实际上在观测之前,DNA 氢键上的质子处于叠加态中,也就是说它并没有确定自己会倒向突变的那一边,还是没有突变的那一边。

图片来源:getty

以不会吃乳糖的大肠杆菌为例。在遇到乳糖前,大肠杆菌处于既有可能消化乳糖,也有可能无法消化乳糖的叠加态。Al-Khalili 和 McFadden 继而通过计算指出,乳糖分子的存在使质子的状态向能够消化乳糖的方向塌缩,这就解释了为什么大肠杆菌的变异速度超过经典理论的预期。

在这些研究的鼓舞下,一些雄心勃勃的研究者认为,在攻克癌症方面量子力学将是一个突破口。2013年,慕尼黑大学的化学家 Frank Trixler 甚至提出,DNA 的氢键上发生的质子隧穿现象正是物种演化的起源。

图片来源:wikimedia

不过,关于量子世界是否支配一些基本的生物过程,学术界还有相当大的争议。量子生物学需要更多的证据才能支撑这些大而美的假说。

在谜底揭晓前,让我们暂时享受这叠加着期待和怀疑的奇妙等待吧。

常因不够变态而感到和环境格格不入?可能是你的 DNA 还没有学会量子隧穿。

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

120年了,它依旧神秘

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier,题图来自:pixabay

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier

120年了,它依旧神秘

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier,题图来自:pixabay

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

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120年了,它依旧神秘

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在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier

120年了,它依旧神秘

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier,题图来自:pixabay

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier

120年了,它依旧神秘

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier,题图来自:pixabay

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier

120年了,它依旧神秘

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier,题图来自:pixabay

在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”

自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”

触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会发光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。

普朗克定律正确地描述了黑体辐射。

普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。

爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。

有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。

玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。

为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》

玻尔模型。

1925年,海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当,开始以玻尔和索末菲的工作为起点,用矩阵代数创建了量子力学的数学公式。沃尔夫冈·泡利将这种矩阵力学应用到玻尔的原子模型中。但在1926年,这种方法就被埃尔温·薛定谔提出的波动方程所取代。在这一里程碑式的进展中,路易斯·德布罗意也做出了基础性的贡献,从某种意义上看,是德布罗意扭转了我们看待量子世界的方式:如果光能表现出粒子的行为,那么电子也能表现出波的行为。后来,保罗·狄拉克展示了海森堡和薛定谔的图景看起来不同,其实是等价的(扩展阅读:《如何成为理论学家中的理论学家》

在薛定谔的波动方程中,量子系统的状态是由波函数描述的。在经典物理学中,牛顿力学可以精确地预测物体的位置和速度;但在量子物理学中,玻恩对波动方程的解释却将电子的轨道变成了一种难以想象的事物——概率密度云。这意味着一个电子在同一时刻可占据它的整个轨道。

由此,玻尔和海森堡提出了量子力学中的“哥本哈根诠释”。根据这个诠释,当对一个系统进行测量时,这种不确定性就消失了;只有这时,波函数才会坍缩,叠加的状态才会变成粒子的一个位置。也就是说,是观察者的观测改变了这个系统。

进行观测后,波函数会坍缩。

这种说法引发了薛定谔提出著名的思想实验——薛定谔猫,这是一只被藏匿于密闭盒子中、同时处于既死又活的状态的猫,这种生与死的叠加状态会一直持续,直到盒子被打开(扩展阅读:《万物皆量子?》)。在薛定谔方程中,粒子的位置和速度无法被同时精确地知道,这一点反映也在海森堡的不确定性原理中。

1928年,虽然量子力学的基础已经基本完善,但辩论从未停止过,尤其是爱因斯坦与玻尔之间持续了一段长时间的论战。争论的一个中心问题是,波函数是否包含了关于一个系统的所有可能信息,或者说,是否有潜在的因素——隐变量——决定了一个特定测量的结果?

根据量子力学,对于两个“纠缠”的全同粒子,观察者对其中一个的影响可以瞬间传递到另一个粒子之上,即便这两个粒子在空间上是彼此相距甚远,爱因斯坦将其称之为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦认为,我们可以利用隐变量来解释这种效应,而不必诉诸于概率——“上帝不掷骰子”,他在一封写给玻恩的信中如是说道。

爱因斯坦在1935年提出的思想实验如今被称为“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬”(EPR佯谬)。这个实验产生了量子纠缠的概念,也就是我们今天所知道的鬼魅般的超距作用。

1964年,约翰·贝尔受到了另一个量子理论诠释的启发,这个诠释是由大卫·玻姆在德布罗意的导波理论基础上发展而成的,它驱散了哥本哈根诠释中的概率性迷雾,支持独立于观测的确定性视角。贝尔证明,如果隐变量存在,实验观察到的概率就必须低于一定的极限,这被称为“贝尔不等式”。之后的许多实验都表明,不等式被违反了,这表明并不存在隐变量。

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:这些自1900年由普朗克开启的所有这些奇怪现象,已经累计成了对量子理论的诸多诠释,比如多世界诠释(详见:《量子力学的8种诠释》

在上个世纪20年代中期的量子力学狂热岁月里,另一场革命正在进行中——量子场论正在奠定基础。量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论,它有着曲折的历史,其发展一直延续到今天。量子场论将基本粒子视作为更基本的场的激发态。扩展阅读《你是什么粒子?》

尽管量子力学是为了描述一个远离日常经验的抽象原子世界而创造的,但它对日常生活的影响体现在方方面面。如果没有量子力学,那么化学、生物学、医学以及其他科学领域就不会取得惊人的进展。如果没有量子力学,给我们带来计算机时代的电子革命就不会发生。如果没有量子力学,给我们带来信息时代的光子技术革命亦不会诞生。

从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机,我们的文明在很大程度上都要归功于普朗克的开创性工作。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”。

参考文献:

https://science.sciencemag.org/content/289/5481/893

https://space.mit.edu/home/tegmark/PDF/quantum.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/understand-quantum-physics/

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Javier