量子力学如何让我们看、闻、触

如果马克斯·普朗克没有忽视一些糟糕的建议，他就永远不会开启一场革命。关键时刻发生在1878年，年轻的普朗克问他的一位教授是否应该继续从事物理学事业。约里教授告诉普朗克另寻他业。

这位教授向他年轻的门徒保证，物理学中所有重要的发现都已完成。正如普朗克后来回忆的那样，约里告诉他：“[物理学]可能还会在这个或那个角落继续发展，这里那里仔细审查或整理一点点，但整个体系已经稳固，理论物理学正在明显接近其完成。”

然而，正是整理那些“一点点”的其中之一，最终为普朗克赢得了诺贝尔奖——并导致了量子力学的诞生。这个令人困扰的小细节涉及一个非常普通的现象：物体受热时为何会发出光芒？所有材料，无论它们由何种物质构成，都会随着温度升高而以相同的方式行为：先变红，然后变黄，最后变白。然而，19世纪的物理学家们都无法解释这个看似简单的过程。

这个问题后来被称为紫外灾难，因为当时最好的定理预测，物体加热到非常高的温度时，应该会喷射出无限量的短波长能量。由于我们知道强电流并不会将灯泡和烤面包机变成喷射能量的死亡射线，因此19世纪的物理学显然并非最终定论。

1900年，普朗克找到了一个解决方案，这相当于一个现代的“黑客”行为。他提出（实际上是猜测）能量只能以离散的包，即量子，被吸收或发射。这与所谓的经典物理学截然不同，后者认为能量以平滑、连续的流体形式流动。当时，普朗克没有任何理论依据——但事实证明它确实有效。他的量子有效地限制了受热物体在任何温度下可以释放的能量总量。不再有死亡射线。

量子革命由此开始。爱因斯坦、维尔纳·海森堡、尼尔斯·玻尔以及其他巨匠还需要数十年的辉煌理论工作，才能将普朗克的灵感转化为一个完整的理论，但这一切都始于没有人理解物体受热时会发生什么。

由此产生的量子力学理论，处理的是超微观领域中的粒子和能量脉冲，与我们的日常经验脱节，对我们笨拙的哺乳动物感官系统来说几乎是隐形的。嗯，并非完全隐形。有些量子效应就隐藏在平淡无奇之处，公然且美丽地显现，比如太阳光和星星的闪烁——这也是在量子力学出现之前无法完全解释的现象。

我们的日常生活中能体验到多少量子世界？我们的感官又能从现实的真实性质中获取何种信息？毕竟，正如理论本身的起源所表明的那样，量子现象可能就发生在我们的眼皮底下。事实上，它们可能正在我们的鼻子**内部**发生。

量子鼻子

当你醒来闻到咖啡香，或是无害烤面包机里烤焦的面包片时，你的鼻子里到底发生了什么？对于这样一个显而易见的感官器官，我们对鼻子的了解却很少。恩里科·费米，这位建造了世界上第一个核反应堆的杰出人物，曾经在炸洋葱时对朋友感叹，如果能了解我们的嗅觉是如何运作的就好了。

所以你躺在床上，有人体贴地为你冲泡了一杯新鲜研磨的苏门答腊深烘咖啡。咖啡的分子在空气中飘荡。你的吸气将其中一些分子吸入位于你眼睛之间、口腔上方的腔体中。这些分子附着在腔体上表面的一层粘液上，其中嵌入了嗅觉神经元。嗅觉神经元像水母的触手一样从大脑垂下，是中枢神经系统中唯一不断暴露在外界的部分。

接下来发生的事情尚不完全清楚。我们知道这些分子会结合到嗅觉神经元表面的400种不同受体中的一些；我们不知道这种接触具体是如何产生我们的嗅觉的。为什么嗅觉如此难以理解？

“部分原因是，很难设计实验来探究鼻子嗅觉受体内部发生的事情，”伦敦帝国理工学院的材料科学家安德鲁·霍斯菲尔德说。

关于嗅觉如何运作的传统解释似乎很直接：受体接受非常特定形状的分子。它们就像锁，只能被正确的钥匙打开。根据这个模型，从你的咖啡杯中逸出的每一个分子，都适合你鼻子中特定的一组受体。大脑将这些结合分子激活的独特受体组合解释为咖啡的香味。换句话说，我们闻到的是分子的形状。

但“锁与钥匙”模型存在一个根本性问题：“你可以有形状和成分截然不同的分子，它们却能给你带来相同的气味感知，”霍斯菲尔德说。看来，除了形状，还必须有其他因素参与，但那是什么呢？

一种有争议的替代“锁与钥匙”模型认为，我们的嗅觉不仅源于分子的形状，还源于这些分子的振动方式。所有分子都根据其结构以独特的节奏持续抖动。我们的鼻子能否以某种方式检测到这些振动频率的差异呢？希腊亚历山大·弗莱明生物医学科学研究中心的生物物理学家卢卡·都灵认为它们可以。

都灵，碰巧也是世界顶级的香水专家之一，受到了化学家马尔科姆·戴森在1938年首次提出的嗅觉振动理论的启发。在20世纪90年代都灵第一次闻到戴森的想法后，他开始寻找能够让他测试该理论的分子。他偶然发现了硫化合物，它们具有独特的香味和特征性的分子振动。然后，都灵需要识别一种完全不相关的化合物——一种分子形状与硫不同但具有相同振动频率的化合物——看看它闻起来是否与硫相似。最终，他找到了一种含有硼的分子。果然，它散发出硫的味道。“那时我恍然大悟，”他说。“我想，‘这不可能是巧合。’”

自那次气味发现的“尤里卡”时刻以来，都灵一直在收集实验证据来支持这一观点，并与霍斯菲尔德合作研究理论细节。五年前，都灵及其同事设计了一项实验，将一种麝香香氛中的一些氢分子替换为氘（一种含额外中子的氢变体），他们发现人们能够闻出区别。由于氢和氘具有相同的形状但振动频率不同，这些结果再次表明我们的鼻子确实能够检测到振动。与果蝇进行的类似实验也印证了这些结果。

都灵的观点仍具争议——他的实验数据在跨学科嗅觉研究人员社区中引起了分歧。但如果他是对的，并且我们确实除了形状还能闻到振动，那么我们的鼻子是如何实现这一壮举的呢？都灵推测，一种名为隧穿的量子效应可能参与其中。

在量子力学中，电子和所有其他粒子都具有双重性质；它们既是粒子又是波。这有时允许电子以经典物理学规则下粒子无法实现的方式扩散和穿过（或隧穿）物质。气味分子的分子振动可能提供电子从一个气味受体部分隧穿到另一个部分所需的正确能量下降。隧穿速率会随不同分子而变化，从而触发神经冲动，在大脑中产生对不同气味的感知。

那么，隐藏在我们鼻子深处的，可能是一个复杂的电子探测器。我们的鼻子是如何进化出利用这种量子奇异性的能力的呢？“我认为我们低估了生命的‘技术’，可以说，低估了几个数量级，”都灵说。“40亿年的无限资金研发是很长一段时间。而且我认为这并非生命所做的最令人惊奇的事情。”

不可见的视觉

好的，你正在喝咖啡，差不多醒了。你的眼睑正准备进入白天模式，眨眼，让窗外射进来的光线进入一点点。当你啜饮着咖啡时，思考一下：那些温暖你脸庞、进入你眼睛的光粒子，起源于一百万年前的太阳中心，大约在我们尚未完全成为人类的祖先开始使用火的时候。如果不是因为可能构成了我们嗅觉基础的相同现象——量子隧穿效应，太阳甚至都不会发出那些被称为光子的粒子。

太阳和地球之间相隔大约9300万英里，光子需要八分多钟才能覆盖这个距离。但它们大部分的旅程发生在太阳内部，在那里，一个典型的光子需要一百万年才能逃逸。在我们恒星的中心，物质被压缩得如此紧密——那里的氢密度大约是铅的13倍——以至于光子只能在被一个氢离子吸收之前行进极短的时间，然后氢离子又将光子喷出，进行另一段很快就会中断的旅程，如此无限循环。经过大约十亿兆次这样的相互作用后，一个光子最终从太阳表面出现，已经随机地曲折穿行了一千个千年。

但是，如果没有量子隧穿效应，光子就永远不会诞生，太阳也不会发光。太阳和所有其他恒星通过核聚变产生光，将氢离子碰撞在一起形成氦，这是一个释放能量的过程。每秒钟，太阳将大约400万吨物质转化为能量。但是氢离子，即单个质子，带有正电荷，自然会相互排斥。那么它们怎么可能融合呢？

通过量子隧穿效应，质子的波性质使它们能够稍微重叠，就像池塘水面上的涟漪交汇一样。这种重叠使质子波足够接近，从而另一种力——强核力，它只在极小的距离上起作用——可以克服粒子的电排斥。质子融合并释放出一个光子。

我们的眼睛进化得对这些光子极其敏感。最近的一些实验表明，我们甚至可以检测到单个光子，这引发了一个有趣的猜想：人类能否被用来测试量子力学的一些奇怪特性？也就是说，一个人——就像光子、电子或薛定谔那只可怜的猫，同时处于死活状态——能否直接与量子世界互动？这种体验会是什么样子？

“我们不知道，因为没人尝试过，”新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家丽贝卡·霍姆斯说。三年前，当她还是伊利诺伊大学香槟分校的研究生时，霍姆斯是保罗·克威特领导的团队的一员，该团队表明人们可以检测到由仅三个光子组成的短脉冲光。2016年，由纽约洛克菲勒大学物理学家阿里帕沙·瓦兹里领导的另一个研究小组发现，人类确实可以看到单个光子。然而，“看到”可能无法准确描述这种体验。瓦兹里亲身体验了瞥见光子的过程，他告诉《自然》杂志：“这不像看到了光。这更像是一种感觉，处于想象的边缘。”

在不久的将来，霍姆斯和瓦兹里期望进行实验，以测试当光子被置于奇怪的量子态时人们会感知到什么。例如，物理学家可以诱导单个光子进入他们所谓的叠加态，即它同时存在于两个不同的位置。霍姆斯和她的同事们提出了一项涉及两种情景的实验，以测试人们是否能直接感知光子的叠加态。在第一种平淡无奇的情景中，单个光子会进入人视网膜的左侧或右侧，人们会注意到他们在视网膜的哪一侧感受到了光子。但在另一种情景中，光子将被置于量子叠加态，这将使其能够做看似不可能的事情：同时到达视网膜的左右两侧。

那么，那个人会在视网膜的两侧都感觉到光吗？或者光子与眼睛的相互作用是否会导致叠加态“坍缩”（正如物理学家所说）到其中一个位置——如果是这样，它会像理论所暗示的那样，在左侧和右侧以相同的概率发生吗？

“根据标准量子力学，处于叠加态的光子对他们来说可能与随机将光子发送到左侧或右侧没有什么不同，”霍姆斯说。如果事实证明参与实验的人确实同时感知到了光子在两个位置，那是否意味着那个人本身也处于量子态呢？“你可以说观察者在极其短暂的时间内处于量子叠加态，”霍姆斯说。“但没有人尝试过，所以我们真的不知道。这足以成为进行实验的理由。”

摸索前行

现在回到那杯咖啡。杯子感觉很结实，是一个坚固的物体，与你的手皮肤紧密接触。但这是一种错觉：我们从未真正触摸过任何东西，至少不是指两块坚固的物质互相接触。原子超过99.9999999999%由空旷的空间组成，几乎所有物质都集中在原子核中。

当你用手对杯子施压时，这种看似的坚固感来自于杯子中电子的阻力。电子本身没有任何体积——它们只是围绕着原子和分子的短暂的零维负电荷斑点，像云一样。量子力学定律将它们限制在原子和分子周围特定的能级上。当你的手握住杯子时，它迫使电子从一个能级跳到另一个能级，这需要手部肌肉的能量，大脑将这种能量解释为触摸到了坚硬的东西。

因此，我们的触觉源于我们身体分子周围的电子与我们遇到的物体分子周围的电子之间极其复杂的相互作用。根据这些信息，我们的大脑创造了一种错觉，即我们拥有坚实的身体，在一个充满其他坚实物体的世界中移动。触觉并不能给我们对现实的准确感知。而且，可能我们所有的感知都与真实世界不符。加州大学欧文分校的认知神经科学家唐纳德·霍夫曼认为，我们的感官和大脑进化是为了**隐藏**现实的真实本质，而不是揭示它。

“我的想法是，现实，无论它是什么，都太复杂了，处理起来会耗费我们太多时间和精力，”他说。

霍夫曼将我们大脑构建的世界图景比作电脑屏幕上的图形界面。屏幕上所有多彩的图标——垃圾桶、鼠标指针、文件夹——与电脑内部实际发生的事情毫无相似之处。它们是抽象的、简化的，使我们能够与复杂的电子设备进行交互。

在霍夫曼看来，进化以大致相同的方式塑造了我们的大脑，使其作为一个图形界面运作，而不会以任何形式的保真度再现世界。进化并不偏爱发展准确的感知；它奖励那些能增强生存的感知。或者正如霍夫曼所说：“适应性胜过真实性。”

霍夫曼和他的研究生近年来运行了数十万个计算机模型来测试他的想法。在模拟中，人造生命形式争夺有限的资源。在每种情况下，那些被编程为强调适应性的生物体都胜过了那些专注于准确感知的各种生物体。例如，如果一个生物体被调整为准确感知，比如说，环境中水的**总量**，它将输给一个被调整为感知更简单的东西的生物体：维持生命所需的最优水量。

因此，虽然一个生物体可能会构建一个更准确的现实表征，但该表征并不能增强其生存能力。霍夫曼的研究使他得出了一个惊人的结论：“在我们在多大程度上适应性时，我们就会在多大程度上与现实脱节。两者不可兼得。”

他的观点与一些物理学家认为的量子理论的核心信息不谋而合：现实并非完全客观——我们无法将自己与所观察到的世界分离。霍夫曼完全认同这一观点。“空间只是一种数据结构，”他说，“物理客体本身也是我们即时创建的数据结构。当我看着那座山时，我创建了那个数据结构。然后我移开视线，我就丢弃了那个数据结构，因为我不再需要它了。”

正如霍夫曼的研究表明，我们尚未完全理解量子理论的全部意义以及它对现实本质的阐述。普朗克本人一生中的大部分时间都在努力理解他所帮助发起的理论，并且始终相信一个独立于我们存在的客观宇宙。他曾写道，为什么他违背导师的建议而决定从事物理学：“外部世界是独立于人类的，是绝对的，而寻求适用于这个绝对的定律在我看来是生命中最崇高的科学追求。”也许还需要一个世纪，以及另一场革命，才能证明他是对的，还是像约里教授一样错误。