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●在整个科学领域，量子力学是很有影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的。比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

●酶促反应、光合作用、嗅觉、鸟类的磁感应、基因的复制、心智之谜、生命的起源，这种种现象都与神秘的量子世界有关。物理世界有三个层次：首先是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则；接下来是热力学世界，遵循热力学法则；然后是量子世界，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准确而有序的量子规则。

●人造生命一定要遵循量子理论，因为没有量子力学，就不会有生命。费曼说过：“凡是我做不出来的，就是我还不理解的。”如果有一天，人造生命真的成为现实，那将意味着我们终于理解了生命的本质。我们将会看到：生命正驾驭着混沌之力，在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上，乘风前行!

中文版序 踏上探索之旅，感受量子生物学的澎湃

引言 没有量子力学，就不会有生命

在整个科学领域，量子力学是最具影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的，比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

动物大迁徙

万物背后的量子真相

知更鸟是如何感知方向的

形形色色的量子现象

第一部分 生命科学的前世今生

01 生命是什么

在很长一段时间里，人们认为生命体与非生命体的主要区别在于生命体内有一种特殊的“生命力”。后来，活力论渐渐让位于机械论。但是，生命中仍有许许多多的待解之谜。尽管克雷格·文特尔成就非凡，他仍不能从零开始创造出生命，而最低级的微生物却可以毫不费力地创造生命。薛定谔认为，生命是量子的，生命的秩序属于“来自有序的有序”。

神奇的生命

活力论

机械论

生命科学新发现

量子力学，物理学的一场革命

量子生物学的兴起

来自有序的有序

生命是量子的

02 酶是生命的引擎

酶是生命的引擎。所有的生命都依赖酶。我们体内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样 的分子机器，无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子，使之持续不停地运转下去。 这个过程，就是我们所说的“活着”。

生死有关的酶

蝌蚪的尾巴哪去了

一场精心编排的分子舞蹈

呼吸酶与呼吸作用

量子思维，认识酶的关键

来自量子世界的魔法

第二部分 量子世界中的生命

03 光合作用中的量子节拍

光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率算得上是最高的，因为传递效率几乎是100%。在 理想情况下，几乎所有叶绿素分子吸收的能量都可以到达反应中心。如果能量不是取道最短进行传递，大部分乃至全部能量都会在传递中殆尽。 光合作用的能量为何能如此擅长寻找捷径，一直以来都是生物学领域的一大谜题。

双缝实验，切中量子力学的内涵

脆弱的量子相干性

神奇的叶绿素

光合作用中的量子计算机

04 小丑鱼“闻出”回家之路

气味分子或溶解在唾液中，或飘散在空气中，被位于舌头或鼻腔顶部嗅觉上皮的感受器截获，嗅 觉就此产生。“锁钥模型”认为，气味分子嵌入嗅觉感受器就如同钥匙插进了钥匙孔。气味与分 子振动频率紧密相关，臭鸡蛋的味道是78太赫! 对于振动频率相同而气味却大不相同的个别现 象，“刷卡模型”给出了完美解释。量子力学中的非弹性电子隧穿，是嗅觉产生的关键。

异常灵敏的嗅觉

我们是如何闻出味道的

形状模型，一把钥匙开一把锁

振动模型，臭鸡蛋味儿的分子振动频率是78太赫兹

鼻子之争

刷卡模型，嗅觉的量子计算

05 帝王蝶与知更鸟的地磁方向感

加拿大和墨西哥之间的帝王蝶以及北欧和北非之间的知更鸟，它们的迁徙究竟是依靠什么导航的呢？研究发现，触角中的隐花色素校准了体内的生物钟，让帝王蝶在从加拿大飞往墨西哥的路上不会迷路。知更鸟的地磁感受器是一种磁倾角罗盘，能通过化学反应感受微弱的地磁。自旋单和三重态之间微妙的平衡性，让鸟类可以利用地磁实现导航。

帝王蝶蝶迁徙之谜

知更鸟的指南针

量子自旋与幽灵般的超距作用

自由基和方向感

06 量子基因

DNA复制的错误率往往小于十亿分之一，极高的复制精度，得以让生命一代一代传下去。但是， 如果遗传密码的复制过程一直完美无缺，生命便不可能进化，也不能应对种种挑战。复制过程的 少许错误，能让子代更好地适应环境并繁盛起来。 基因非常小，一定会受到量子规则的影响。但量子力学是否在基因突变中扮演了重要而直接的角色，还是一个待解之谜。

遗失的世界

遗传，高精度的复制

突变，美丽的错误

基因编码

基因突变是量子跃迁吗

07 心智之谜

关于心智、意识究竟是如何工作的，目前被广泛接受的理论是心智计算理论。如果一台量子计算 机能够维持300个量子位的相干性和纠缠态，它的计算能力几乎相当于一台整个宇宙那么大的 经典计算机！2011年，我国科学家仅用4个以原子自旋状态作为编码的量子位就成功对143 （13×11）完成了因数分解，居于世界领先水平。

意识是什么

思想是如何产生的

人脑就是量子计算机

微管理论

离子通道

08 生命的起源

弗雷德·霍伊尔说过，随机化学过程创造出生命的概率，就像龙卷风吹过垃圾场，然后纯属意外地造出了一架大型客机。他的话生动形象地说明，我们今天所知的细胞生命体太过复杂有序，不可能起源于纯粹的偶然，在此之前一定有更简单的 自复制体。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。

米勒-尤里实验

生命不是偶然的

RNA世界假说

没有量子力学，就不会有生命

量子相干性，生命起源中的重要角色

结语 我们一定能创造出遵循量子理论的新生命

人造生命一定要遵循量子理论，因为没有量子力学，就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出来的，就是我还不理解的。”如果有一天，人造生命真的成为现实，那将意味着我们终于理解了 生命的本质。我们将会看到:生命正驾驭着混沌之力，在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上， 乘风前行！

量子生物学的新发现

寻找生命的原动力

风暴边缘上的生命

量子生物学的力量

从头开始制造生命

理解生命，创造生命

后记：量子生命

译者后记

吉姆·艾尔—哈利利

●英国萨里大学物理学教授，理论物理学家，量子生物学家。

●1989年，在英国萨里大学获得核反应理论博士学位。之后，在伦敦大学学院做了两年博士后项目的研究。1992年被萨里大学聘为讲师。

●2000年，被聘为英国物理学会会士。2005年，晋升为萨里大学物理学教授。截至目前，他在核物理、量子力学和量子生物学等领域发表了100多篇论文。2007年，凭借“对科学的贡献”获得大英帝国勋章；2018年，当选英国皇家学会会士。

●从20世纪90年代末开始，艾尔-哈利利的研究领域转向量子生物学。他与量子生物学家约翰乔·麦克法登联合发表了多篇量子生物学方面的文章。并且，两人在英国工程和自然科学委员会的资助下，共同组织了量子生物学国际研讨会。

约翰乔·麦克法登

●英国萨里大学分子遗传学教授，物理学家，量子生物学家。

●1982年获得帝国理工学院生物化学博士学位。

●发表科学论文超过100篇。

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当波遇到任何微小的物体后，如果这一物体的三维比波的波长要短，那么这个物体将不会影响和改变波的传播，就像波长几米的海浪冲击着沙滩上的鹅卵石一样。你需要更短的波长，比如那种在学校的科学实验课上常见的水槽里的涟漪，才能在遇到鹅卵石后产生反射和衍射，使我们最终“看见”这个鹅卵石。

量子纠缠是指，曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎魔法般的联系。

苏格兰化学家格雷厄姆.凯恩斯—史密斯（Graham Cairns-Smith）估计，由“原始汤”中可能存在的简单有

机化合物合成RNA碱基，需要约140步反应。每一步至少需要避免六种副反应。这就让整个合成过程可以更加形象：你可以把每个分子想象成一个分子骰子，每一步就像掷一次骰子，掷出点数6代表产出了正确的产物，而其他点数意味着得到了错误的产物。因此，任何起始分子最终反应成为RNA的概率就像连续140次掷出了点数6一样。

当然，化学家可以通过精心控制每一步反应来提高反应成功的概率。不过，在生命出现以前的世界里，只能靠机会。或许太阳恰到好处地升起，蒸干了泥火山周围的一小滩化学物质？又或许泥火山喷发，向小水滩添加了水和一点硫，创造出了另一组化合物？还有可能是闪电风暴搅拌了混合物，用电能刺激加速更多的化学变化？这样的例子不胜枚举，但可以估计的是，如果只靠偶然性，这140步必要的反应都能在六种可能的产物中得 到正确产物的概率是1/6¹⁴⁰，即大约1/10¹⁹⁰。为了能够通过纯粹的随机过程获得制造出RNA的概率，“原始汤”中至少要有如此数量级的起始反应分子。但是，10¹⁰⁹比整个可见宇宙中全部基本粒子的总和（约10⁸⁰）还要大得多。按照伊苏古岩显示的时间，从地球形成到生命出现的几百万年中，地球上

显然没有足够的分子，也没有足够的时间来制造出数量显著的RNA。

然而，假设确实通过某些依然不为人知的化学过程合成了数量显著的RNA，我们必须还要克服一个同样棘手的问题一将四种不同的RNA碱基（与编码DNA密码的四个不同字母A、G、C、T类似）按照正确的序列串联形成可以自我复制的核酶。大多数核酶是至少有100个碱基的RNA链。由于链上每个碱基位点一定要有四种碱基之一，因此长度为100个碱基的RNA链就有4¹⁰⁰种不同的排列方式。你觉得随机乱堆的RNA碱基又有多大的可能恰好沿...

为了表述更清楚，我们可能需要多讨论一些与场（Field）相关的内容。场的衍生概念来自它的本意：它表示在空间上铺展的事物，比如打谷场或者足球场。在物理学中，场的基本含义没有改变，但是通常指能对物质施加力的能量场。引力场可以移动其中任何具有质量的物体，电场或者磁场则可以移动带电荷或者具有磁性的粒子，比如穿过神经元细胞膜上通道的离子。

19世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现电和磁是同一种现象的两个方面，于是两者被合称为电磁（electro--magnetism），两者的场则合称为电磁场。爱因斯坦的质能方程：E=c。左边代表能量而右边则包含了质量，这个著名的公式阐明了能量和质量之间的可转化性。所以具有能量的大脑电磁场一相当于爱因斯坦公式的左边一与构成大脑神经元的物质没有本质区别。由于大脑电磁场是由神经元放电产生的，所以它编码与神经元放电相一致的大脑信息。但是与无法直接共享信息的单个神经元放电不同，大脑电磁场中包含了所有神经元的放电信息，这为捆绑问题的解决提供了可能。此外，通过影响电压门控离子通道的开闭，大脑电磁场直接影响了具有量子相干性的离子活动。

20世纪初，意识的电磁场理论刚刚提出，那时还没有直接证据显示大脑电磁场能够影响神经元的兴奋，进而影响我们的思维和活动。不过，后来在数个实验室里完成的实验都证实，与人类大脑强度、组成相近的外加电磁场的确能够影响神经元的放电和兴奋。实际上，电磁场的作用看起来像是协调神经元兴奋：使众多神经元同步放电，让它们同时兴奋。这些发现提示大脑神经元兴奋所产生的电磁场，同样有可能影响神经元的放电活动，形成一种自我调节的环路。许多理论学家认为，这就是意识的必要组成。

大脑电磁协调神经元同步放电的现象在解决意识这个谜题时显得非常重要，因为这是为数不多的与意识有明确关联的神经活动之一。我们可能都有过这样的经历：看着一堆杂物，然后突然在眼...

（Douglas Hofstadter）在1979年出版的著作。彭罗斯在他的《皇帝的新脑》中以哥德尔的不完全性定理作为自己观点的切入点，他首先指出，经典的计算机会利用统一的逻辑系统（也就是计算机算法）产生命题。根据哥德尔的定理，计算机也一定能够推论出它们无法证明真伪的命题。但是，彭罗斯认为，人类（或者说属于数学家的那一群人类）能够推导和证明这些计算机无法证伪的命题。因此，彭罗斯据此认为，人类的大脑要胜于传统的计算机，因为它能够执行一种彭罗斯称之为非计算性的处理过程。继而，他假设这种非计算性能力需要一些特别的解释，只有量子力学才能提供这样的解释。最终彭罗斯得出结论，意识正是量子计算的产物。

没有复杂的数学证明，仅仅是基于命题的可证明性，不得不说这个结论，总结得实在大胆。彭罗斯在后来出版的著作《意识之影》（The Shadowof the Mind）中更进一步，提出了大脑如何利用量子力学计算的生理学机制。彭罗斯与亚利桑那大学的麻醉学与心理学教授斯图尔特·哈梅罗夫（StuartHameroff）0合作，两人宣称神经元里一种叫微管（microtubules）的结构相当于量子计算机的量子位。

微管是由微管蛋白组成的链状结构。哈梅罗夫和彭罗斯提出这种微管蛋白一组成微管的蛋白珠

至少可以在伸展和收缩这两种形状之间进行转换。最重要的是作为量子物体，微管蛋白可以同时具有伸张或者收缩的状态，这一点让它类似于量子位。哈梅罗夫和彭罗斯的假设还不止如此，他们还认为，一个神经元中的微管蛋白还与其他神经元中的微管蛋白维持着量子纠缠。你可能还记得纠缠就是那种可以把相距甚远的物体联系在一起的“幽灵般的超距作用”。如果大脑中万亿个神经元之间真的存在神秘的遥控力量，那么原本独立的每条神经中所包含的信息就可能通过这种方式被整合起来，捆绑问题也就迎刃而解了。大脑成了一台原理神秘但是异常强大的...

书籍介绍

●在整个科学领域，量子力学是很有影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的。比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

●酶促反应、光合作用、嗅觉、鸟类的磁感应、基因的复制、心智之谜、生命的起源，这种种现象都与神秘的量子世界有关。物理世界有三个层次：首先是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则；接下来是热力学世界，遵循热力学法则；然后是量子世界，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准确而有序的量子规则。

●人造生命一定要遵循量子理论，因为没有量子力学，就不会有生命。费曼说过：“凡是我做不出来的，就是我还不理解的。”如果有一天，人造生命真的成为现实，那将意味着我们终于理解了生命的本质。我们将会看到：生命正驾驭着混沌之力，在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上，乘风前行!