季老師的量子生物讀書會(huì)踊挠，科普書《Life On The Edge》試譯乍桂。
本人英語很差，翻譯主要是為了學(xué)習(xí)科普讀物本身內(nèi)容方便效床，順便用作英文學(xué)習(xí)練習(xí)之用睹酌。
選擇部分內(nèi)容發(fā)到簡書上分享。請(qǐng)勿用于商業(yè)用途剩檀。
為了理解一個(gè)指南針是如何工作的忍疾，我們需要去考慮磁場線，這些定義了磁場的方向的不可見的軌跡沿著指南針的指針谨朝，與其同向，無論指南針放置在磁場中的哪里——我們最熟悉情景的就是在一張紙上撒上鐵屑甥绿，然后用一根條形磁鐵至于其上出現(xiàn)的圖形∽直遥現(xiàn)在，想象整個(gè)地球就是一根巨大的條形磁鐵共缕，從它的南極處發(fā)射出一條條曲線洗出，環(huán)繞著一圈又一圈，直到連接至北極（詳見圖1.1）這些磁場線中图谷，靠近極地的部分方向幾乎與地面垂直翩活，但是它們漸漸變得平坦，更加近平行于地球表面并且越來越接近赤道便贵。于是菠镇，這種可以測量磁場線與地表之間的傾斜角的指南針被稱為磁傾斜指南針，它可以分辨出方向是朝向極地還是赤道承璃，但并不能分辨朝向北極或南極利耍，因?yàn)榇艌鼍€在兩極和地面的夾角是相等的。Wiltschkos夫婦在1976年的研究確立了知更鳥的磁感應(yīng)機(jī)制是類似于磁傾斜指南針的機(jī)制盔粹。于是隘梨，問題就變成了沒人知道生物學(xué)上的磁傾斜指南針是如何工作的，因?yàn)槲覀儾⒉恢绖?dòng)物體內(nèi)有什么東西可以測量地磁場的傾角舷嗡，甚至連想都不敢想轴猎。而答案就是要不得不用到現(xiàn)代科學(xué)中最神奇的理論之一，最奇怪的科學(xué)：量子力學(xué)进萄。
一個(gè)潛藏著的駭人事實(shí)
如果在當(dāng)今科學(xué)家之間做一個(gè)無聊的投票捻脖，問問他們什么理論是整個(gè)科學(xué)之中最成功锐峭、影響最深遠(yuǎn)而且最重要的理論的話，答案可能很大程度上取決于你問的人是物理學(xué)工作者還是生命科學(xué)工作者郎仆。多數(shù)生物學(xué)家一定會(huì)推崇達(dá)爾文的由自然選擇理論推出的進(jìn)化論學(xué)說只祠，把它奉為最為意義深遠(yuǎn)的理論構(gòu)想；而物理學(xué)家則會(huì)爭辯說扰肌，量子力學(xué)才應(yīng)獲此榮譽(yù)——畢竟抛寝，量子力學(xué)構(gòu)建了物理學(xué)和化學(xué)的基礎(chǔ)，并且成為了關(guān)于整個(gè)宇宙圖景的大廈的基石——的確曙旭，倘若沒有量子力學(xué)的解釋助力盗舰，我們當(dāng)前對(duì)這個(gè)世界運(yùn)行規(guī)律的多數(shù)認(rèn)知都將消失不見。
幾乎所有人都聽說過「量子力學(xué)」桂躏，這個(gè)晦澀難懂的钻趋，只被少數(shù)很聰明的人理解的科學(xué)界理論早已成為流行文化中火熱的一部分。然而事實(shí)卻是剂习，在20世紀(jì)早期蛮位，量子力學(xué)就成為了我們生活中的一部分，從20世紀(jì)20年代中期開始鳞绕，科學(xué)界發(fā)展出了一套數(shù)學(xué)理論來解釋微觀世界中原子構(gòu)成我們身邊所有所見事物的行為失仁，以及那些更小的，構(gòu)成原子的小微粒的屬性们何。比如萄焦，通過描述電子所遵從的如何安排自己置于原子之內(nèi)的規(guī)律，量子力學(xué)支撐起了整個(gè)化學(xué)冤竹、材料科學(xué)甚至電子學(xué)理論的基礎(chǔ)拂封。
盡管它很陌生，但其數(shù)學(xué)規(guī)則卻成為了過去半個(gè)世紀(jì)大多數(shù)技術(shù)進(jìn)步的核心鹦蠕。沒有量子力學(xué)對(duì)電子穿越物質(zhì)的解釋冒签，我們就不可能理解半導(dǎo)體這一現(xiàn)代電子學(xué)基礎(chǔ)器件的行為，不理解半導(dǎo)體的行為模式片部，也就不會(huì)發(fā)展出硅晶體管镣衡，更不要說后來的芯片和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)了。除此之外還有：沒有歸功于量子力學(xué)的知識(shí)進(jìn)步档悠，就沒有激光廊鸥，于是也就沒有CD、DVD和藍(lán)光播放器了辖所；沒有量子力學(xué)我們就沒有智能手機(jī)惰说、衛(wèi)星導(dǎo)航和核磁共振掃描。實(shí)際上缘回，據(jù)估計(jì)吆视，如果沒有對(duì)量子世界機(jī)制的理解典挑，世界超過三分之一的GDP總值所依賴的應(yīng)用程序都將會(huì)不存在。
而這也僅僅是個(gè)開始啦吧。我們可以展望一下量子論的未來——在我們余生之中您觉，其發(fā)展的可能性——由激光驅(qū)動(dòng)的核聚變也許會(huì)使無窮電力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；人造分子級(jí)機(jī)械能夠完成一系列工程學(xué)授滓、生物化學(xué)琳水、醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的各種任務(wù)；量子計(jì)算機(jī)可以提供人工智能般堆；甚至科幻小說里的傳送技術(shù)都將被日常用于傳輸信息在孝。20世紀(jì)的量子革命正在21世紀(jì)加快行進(jìn)步伐，終將用難以置信的方式改變我們的生活淮摔。
但私沮，量子力學(xué)究竟是什么？我們將在本書中探討這個(gè)問題和橙，而這個(gè)問題也將貫穿始終仔燕。對(duì)于初次接觸這些內(nèi)容的讀者，我們接下來要舉幾個(gè)例子魔招，為你講述潛藏在我們生活中的量子論基礎(chǔ)的事實(shí)涨享。
我們的第一個(gè)例子闡明了量子世界里的一個(gè)奇怪特征，可以說是它的定義特征：波粒二象性仆百。我們很熟悉的一個(gè)事實(shí)是，在現(xiàn)實(shí)生活中的物體是由諸如原子奔脐、電子俄周、質(zhì)子和中子等極小的離散的微粒構(gòu)成的。你又也許會(huì)注意到能量髓迎，比如光或者聲音峦朗，它們以波而不是微粒的形式傳遞。波是傳播出去的排龄，而不是像微粒那樣一個(gè)一個(gè)波势，而且它們還會(huì)流過空間——好的，波橄维，就像海中的潮汐潮起潮落那樣尺铣，有波峰和波谷，這樣的一種東西争舞。量子力學(xué)之所以誕生凛忿，就是因?yàn)?0世紀(jì)早期人們發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)的微粒行為類似于波，而光波的行為卻類似于微粒竞川。
盡管波粒二象性并不是你每天生活都需要考慮的事情店溢，但他確實(shí)是許多重要理論的基礎(chǔ)叁熔。比如醫(yī)生和科學(xué)家使用的顯微鏡，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡看不到那些讓人患上艾滋病或者只是一般感冒的病毒床牧，因?yàn)檫@些病毒太小了荣回。而電子顯微鏡的靈感來自于電子的波動(dòng)性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，德國科學(xué)家Max Knoll和Ernst Ruska意識(shí)到了這一點(diǎn)戈咳，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL（即波中任意兩個(gè)相鄰波峰波谷之間的距離）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光的波長心软，所以一個(gè)用電子顯像作為基礎(chǔ)的顯微鏡應(yīng)該可以比光學(xué)顯微鏡看到更多更清晰的細(xì)節(jié)。這是因?yàn)槿魏纬叽缟媳嚷溆谄渖系牟ㄒ〉奈⑿∥矬w都不會(huì)影響或作用于那束波——想想來自海洋的波濤吧除秀，它的波長有幾米長糯累，擊打著沙灘上的鵝卵石，研究這束海浪并不能讓你了解到任何有關(guān)鵝卵石的形狀或大小的細(xì)節(jié)册踩。你需要更短的波長泳姐，比如波動(dòng)箱中產(chǎn)生的波，就是學(xué)性菁科學(xué)課里大家都見過的那種胖秒，通過這種波的反彈或者對(duì)其周圍的衍射來「觀察」鵝卵石。于是慕的，在1931年阎肝，Knoll和Ruska建造了世界上第一臺(tái)電子顯微鏡，并將其用于拍攝了世界上第一組病毒的圖片肮街，因此风题，Ernst Ruska在1986年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)——或許來的有點(diǎn)晚了（Ruska于1988年去世）。
我們要說的第二個(gè)例子就更基礎(chǔ)了嫉父。為什么太陽會(huì)發(fā)光呢沛硅？很多人可能知道太陽本質(zhì)上是一臺(tái)燃燒氫氣的核聚變反應(yīng)堆，由此釋放熱量和陽光绕辖，維持地球上萬物的生命摇肌，但很少有人知道，如果不是因?yàn)轱@著的量子效應(yīng)仪际，太陽是不會(huì)發(fā)光的围小，因?yàn)樗粫?huì)允許粒子「穿墻而過」。不僅是太陽树碱，包括宇宙中的所有恒星肯适，都可以發(fā)射出大量的能量，這是因?yàn)闅湓雍顺砂瘢兔總€(gè)氫原子核和一個(gè)只攜帶正電的疹娶，被稱為質(zhì)子的粒子可以相互結(jié)合，其結(jié)果就是以電磁輻射的形式中釋放出了能量伦连，這種電磁輻射也就是我們平時(shí)所說的陽光了雨饺。兩個(gè)氫原子核必須要靠的非常近才能相互結(jié)合钳垮，然而靠得越近，兩者之間的斥力就愈發(fā)強(qiáng)大额港，因?yàn)樗麄兌紟в型N的正電荷饺窿，所以他們就「喜歡」互相排斥。也就是說移斩，想要靠近并互相結(jié)合肚医，這些粒子必須要穿過原子內(nèi)的一種類似于磚墻的東西：一股看上去無法突破的能量屏障。經(jīng)典物理學(xué)——就是由艾薩克·牛頓的運(yùn)動(dòng)向瓷、力學(xué)和引力定律所建立起來的肠套，把日常世界里的球體、彈簧和蒸汽機(jī)（甚至還有行星）都描述得非常好的物理體系——會(huì)預(yù)言這種情況不會(huì)發(fā)生猖任，粒子不可能穿越墻壁你稚，因此，太陽也就不會(huì)發(fā)光了朱躺。
但是粒子實(shí)際上遵守著量子力學(xué)的規(guī)則刁赖，比如原子核，就有獨(dú)特的小伎倆：他們可以通過一種被稱為「量子隧穿」的過程长搀，輕松地穿越這種屏障宇弛，而這實(shí)際上就是他們的波粒二象性使他們獲得的這種能力。就像是波可以經(jīng)過物體四周流過諸如海岸上的鵝卵石的物體一樣源请，波也可以穿過物體枪芒。比如聲波，可以穿過你家的墻壁谁尸，讓你聽到鄰居家電視的聲音病苗。當(dāng)然，攜帶著聲波的空氣并不會(huì)穿越墻壁症汹，穿過墻壁的不過是空氣中的振動(dòng)——聲音——這就導(dǎo)致了你的墻也開始震動(dòng)，從而推動(dòng)你的房間里的空氣振動(dòng)贷腕，傳遞起同樣聲波并最終進(jìn)入你的耳朵背镇。但如果你能使你的行為和原子核的行為一樣的話，那你就可以像幽靈一樣筆直地穿過固體墻壁了泽裳。一個(gè)太陽內(nèi)部的氫原子核想方設(shè)法精確地完成以下行動(dòng)：把自己傳播出去瞒斩，并且像幻影一般「滲透」過能量障壁，靠近自己身處另一邊的搭檔涮总，靠得足夠近了胸囱，二者就可以結(jié)合。所以瀑梗，當(dāng)你下次在沙灘做日光浴時(shí)烹笔，觀察下拍打著海岸的波浪裳扯，想想那些量子粒子駭人的波形式運(yùn)動(dòng)，正是有了它們谤职，才不僅僅使你可以高高興興地享受大好陽光饰豺，更讓這顆星球上的萬物生靈的生存成為了可能。
