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第三章 量子的智慧选择（第2页）

惠勒虽然没有获得诺奖，但是他的物理学思维却赢得人们尊敬，他第一个提出黑洞概念；引入了极小时间与极小距离的普朗克尺度，并在此尺度极限下引入“量子泡沫”概念（既时空在10-35米空间距离与10-45秒的时间间隔上的动**）；他提出质朴性原则，提出没有质量的质量，没有电荷的电荷；他提出真子概念（光子高密度集中以至于全部光子绕着共同的中心转动，这些光子是通过自身引力来保持轨道运动的）；关于宇宙深度他提出“一切源于信息”（真实宇宙世界“一切”可能最终都基于信息），惠勒开创了量子信息理论的新纪元，同时也因为他的多角度创新哲学观点而受到物理学界的尊敬。

惠勒在1978年提出的一个超出当时水平的延迟实验检验量子世界，现在已经在很多实验室实现了这一实验。该实验是在一个光子离开光源较长时间后，允许一名实验者决定这个光子是应该沿着单一轨迹进入探测器，还是沿着两条叠加轨迹进入探测器。

如图39所示，在光源出发点A直角处有一个半透半反射镜。C，B处都有反射镜。每个光子都有50%机会到达左探测器，50%机会到达右探测器。

为了描述这一实验，在A处后面偏离一侧建立光源，可向A处上方的半透半反镜发射光子束。半透办反射镜是一块镀有很薄一层银的玻璃，只能将照射到其上的光反射一半，而让另一半光通过，那么单个光子就有50%的机会被反射，还有50%的机会通过。还有另外一种情况：那就是一个打到半透半反镜上的光子将既反射又透射其波函数是分散的。光子在打到半透半反镜上后，将处于两种不同传播方向的叠加态。

建立起的半透半反镜可以使透过的光到达B处，被它反射的光则到达C处（如图039）。在上述两处放置了全反镜，这样所有光线（或者说所有光子）都会被反射到D处，在D处上方什么都不放，在D的左右分别放有探测器，这些探测器能够记录到达的光子（所有光子！）。比如右探测器发出一次嘀嗒叫声就说明从C处打来一个光子，从左侧探测器发出声音则说明从B处打来一个光子。现在，还没有态叠加的明显证据——从概率进行的测量来说，左右两侧将会各探测到一半光子。

现在，让我们来证实光子确实同时沿着两条轨迹运动：我们用一个半透半反镜放置在D处上方，这样来自B处的光有一半会被反射到右边，另一半则会直接透射到左边。而来自C处的光则有一半被反射到左边，另一半直接透射到右边。

如图040所示，通过仔细摆放该半透半反镜可以使两束射向右侧的光发生相消干涉，而两束射向左侧的光发生相长干涉。那么光都将抵达左侧，向右侧传播的光波将彼此相消，向左侧传播的光波将彼此加强。在上述情况不动的情况下，如果光源发射的是一个个单独的光子，左侧的探测器不断发生嘀嗒声，这说明不断有光子到达那里，而右侧的探测器则没有任何声音。这说明，每一个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。所有光子都抵达右侧的现象只能通过光子波函数（或振幅）进行解释。光子的波函数先分散再汇聚，从而光子波才会与自己发生干涉相长或干涉相消。

现在我们做另一个选择测试——延迟选择，证明每个光子是沿着两条轨迹运行的，这时候可以不在D处上方放置任何装置。但是，为了测量显示出每个光子的运动轨迹。我们在D处上方放置一个半透半反镜，将光源打开一纳秒，一个光子的运动速度是每纳秒1英尺（1纳秒的时间等于1秒的十亿分之一）。在这么短的时间内，光源也就发射出几十个光子。然后我等待30~50纳秒的时间，准备做出一个决定，等我们做出决定时，那些从光源发射出的光子已经离开光源很远了，但是它们到D处还有点距离，所以它们还在传播路途中。

接下来，我们想弄清楚每个光子所走的路径。然后在D处上方什么都不放置，统计左右两侧的探测器记录到达的光子，每个探测器应该各记录下一半光子。这表明到我们做开始做出决定的时候，每个光子已经被“交给”了各自的路径，要么通过B，要么是通过C处。如果我们改变决定——在每个光子发射完，光子恰好处在自己路径上之后——想弄明白是否每个光子都同时处在两个路径上，那么我们将半透半反镜放置在D处上方，通过仔细摆设透镜，产生波的干涉，这时所有光子都会奇迹般地要么抵达右侧探测器，要么抵达左侧探测器。这说明每个光子都与自己发生了干涉，而且每个光子都是同时沿着两条路径运动的。

好，我们再换一下思路，把半透半反镜留在D处上方，D处左右两侧各有一个探测器，并派一个人站在AB之间的路上（如图041），结果发现，现在没有光子（或光子波）能通过AB这条路程径，所有到达D处的光子（或光子波）都一定是通过C处过来的。此时两个探测器发生的嘀嗒声频率相同，每个从C处到达D处的光子都有50%的机会直接透射到右侧，还有50%的机会被反射到左侧。干涉消除了，光子再次成为沿着特定路径运动的单个粒子。

虽然按照现代科技，很难验证

在几纳秒这么短的时间内做出“决定”。如果该实验能在实验室房间内进行，那么在更大尺寸上也能进行，比如足球场上，比如几百公里的范围内。正如惠勒本人所说，这种实验没有理由在宇宙距离上不能进行。比如从遥远的恒星爆炸发射出的来的光，抵达地球的光有两种可能路径，光可以在星系E，我们可以在该星系观察到从恒星爆炸发出的光子。如果是另一星系F，天文学家同样会在F星系附近看到那些光子。如果天文学家在天文台里能够接收到来自两个星系的光的位置放置一面半透半反镜，理论上沿着两条不同路程经传播的光将会发生干涉，并只在一个方向上产生可见的光子（与上述延迟实验类似）。天文学家可以在光离开类星体几万年，几百万年，甚至几十亿年之后才决定是否寻找特定路程径或者寻找两条路径之间的干涉。这太神奇了！

但是这就是量子世界的诡秘行为，量子行为表明量子行为是概率性的，一个事件发生的世界，对事件不用的结果选择，会产生不同的行为。

以上种种如此诡异的量子行为确实是些奇怪的现象。用爱因斯坦的话说，这太诡异了，但这却是事实。所以物理学家费恩曼说：“我可以有把握地说，没人能够理解量子力学。”

有些物理学家认为双缝实验太令人混乱（你越思考，头脑就越混乱——尼尔斯·玻尔语），以致于他们认为尽管量子力学取得了无数成功，且从未失败，但仍旧是不完备的，他们相信在21世纪的某个时候——无论是下一年还是从现在起50年以后——将会出现新的理论，一种能够包含量子理论，并且能对量子理论的成功进行解释的理论，但是新理论必须更具“远见卓识”。即便是不被双缝实验表现出的古怪所困扰的物理学家也都倾向于认为量子力学的某种内在因素沿待出现。

关于量子的本性问题，爱因斯坦认为必然存在因果关系，以玻尔为代表的哥本哈根派认为测不准，几率问题就是量子本质，看到的就是真实的，玻姆认为，量子深层必然存在着隐蔽的关系。

爱因斯坦相信，如果量子力学是一个完备的理论，我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。玻尔却指出，我们观测得到的世界才是“真实”世界，哪怕我们观察世界的时候必须透过一块黑色的玻璃。实际上，玻尔坚持，这种黑暗模糊的视线本身，也跟我们看到的其他东西是一样真实的。

玻姆的理论认为，目前量子力学之所以是一个统计理论（哥本哈根派的解释），是因为存在还未发现的隐变量，这种隐秘关系甚至涉及到人类的意识问题。个别体系的规律，正是由它们决定。如果能找出隐变量就可以准确地决定微观现象每一次测量的结果，而不只是决定各种可能出现的结果的几率。

也就是说，如果发现隐变量，那么因果律还是存在的，“上帝不掷骰子”。

因此，爱因斯坦为了寻找因果关系，把后半生精力都用在寻找大统一理论中来。现代物理学实验证明，电子能够再次分裂，也能够同时测到量子的两种状态，而按照本人在另一本书里的新宇宙模型——圆转聚合的物理模型，量子世界必然存在更深层的粒子关系，没有绝对的真空，影响量子的因素就在深层量子中，电子、光、夸克等可能有其他更深层粒子组成的，也有可能有其他机理。量子世界必然存在着更深度的背景关系，这种背景关系与宏观宇宙也是关联的。只是现代科学由于工具有限很难实验发现。

而量子求和认为，因为测不准，几率问题，量子轨迹无所不在，其轨迹漫步于宇宙空间，这种认识也许存在着问题，量子能够激发更深层，微观，快速的粒子做出反应，但是单个量子本身有其影响范围应该是有限的。也许这会在以后的实应中发现，当电子射向中间有缝隙的屏幕的时候，电子就开始激发了深层粒子的反应，这会影响其途径，量子能够激发运动过程中的周围更微观粒子环境及其反应。

第二节聚合而生的生命

碳结构不同的有机生命与无机物质世界生命与物质之间存在着病毒等中间体，人们不禁要问，是什么动力促使生命得以实现？物质与生命的界限在哪里？在第三章关于双缝实验与时间延迟实验里，介绍了量子感知与智慧选择性。很多相对实验证明，量子不仅仅有智慧选择，还有记忆性和协调性。

对于生命来说碳是必不可少的生命元素。碳在地球上储量丰富，碳不仅有丰富的有机化学合成物，而且因为碳元素之间组成结构不同，构成不同的无机物质。在无机碳物质里，碳因为结构不同可以成为脆弱顺滑的石墨，也可以变成世界最硬的钻石，也可以变成具有催化功能的富勒烯。

而在有机碳丰富的世界里，就拿氨基酸来说，因为不同的结构，相同分子的不同折叠，就会变形出不同的蛋白质结构（生命分子结构图见第九章九层宇宙部分），如构成人的皮肤、骨骼、血管、神经等。有机化合物主要由碳、氢和氧元素组成。构成人体需要的脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激素等。生命体内的新陈代谢和生物的遗传现象，都涉及到有机化合物的变化。目前人类已知的有机物达8000多万种，数量远远超过无机物。对人类生活、生产有极重要的意义。

有机化合物的碳原子的结合能力非常强，互相可以结合成碳链或碳环。碳原子数量可以是1。2个，也可以是几千个、几万个，许多有机高分子化合物甚至可以有几十万个碳原子。此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这也是造成有机化合物众多的原因之一。碳原子可用共价键彼此连接生成多种结构，组成数量巨大的不同种类的有机分子骨架。

无机碳的物质世界：碳以多种同素异形体的形式存在，因为结构不同构成不同的物质，碳是钢铁的主要辅助元素，碳纤维是飞机的主要材料。

碳因为结构不同充满神奇的不同功能：比如石墨、金刚石、富勒烯（也被称为巴基球）、石墨烯、无定形碳、碳纳米管、六方金刚石、碳纤维、碳气凝胶（密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）碳纳米泡沫（蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）碳纳米泡沫：

碳纳米泡沫呈蛛网状，具有分形结构，有铁磁性。泡沫由许多原子团簇构成，每个含有约4000个碳原子，直径约6~9纳米；其中很多原子团连在一起，形成了纤细的网。泡沫由团簇构成，似乎形成了石墨层，碳纳米泡沫的密度很低，与碳气凝胶很相似，但密度是它的百分之一；它是目前世上最轻的物质之一，密度约为2毫克每立方厘米，仅有海平面上空气密度的几分之一。

富勒烯：富勒烯是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

富勒烯C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子。富勒烯具有完美对称的足球结构，C60分子的电子能级简并度最高可达五重。C60具有很高的电负性，它能够接受电子而形成带负电子的阴离子。C60还容易发生电化学加氢反应。C60电极能够通过氢而发生电化学充电反应。勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础。在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金属原子，如铂、钯等，制成一类新的催化剂，在这种催化剂中，催化性原子被碳笼保护起来。这也是第一个发现的由一种材料的数个原子组成的团簇催化化学反应，因为催化剂通常只在很大质量下才起作用。

同时我们发现，类似碳C60组成的富勒烯，就像多层聚合宇宙里讲的，因为不同层级的聚合结构，就会产生不同寻常的物理学效果。

第三节量子感知的世界

现代量子生命的三要素

2013年4月，乔治亚理工学院的王中林带领的一个团队，找到一种方式将这种压力发电的原理用于创造一种细微调整的电子触觉。压电效应指的是对晶体和其他固体材料施加机械压力时产生的某种电荷。王中林说道：“这种技术突破能够使机器人更像它们的创造者。当我们人类接触的火的时候，我们知道它是热的。而这项技术能够使机器人拥有人类的感觉，换句话说，就是使机器人更像人类。”

除了使机器人具备人类的敏感度和计算机的精密度之外，这项技术还能够被用于高精密度的修复学和“智能”生物医学治疗。这是一种智能材

料，能够使物质产生感知，当然这种感知与人类的感知还是有区别的。那么在真实的生命与物质之间，界限到底是什么，那么我们可以从量子角度更多看待生命问题。

正如富勒烯的特性一样，不同的量子结构，就会产生不同的现象，量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命与物

质的分界线，量子是一种从物质到生命的中间状态，宇宙演化中，从量子开始，一方面向物质演化，一方面向生命演化。

蛋白质病毒是一种奇怪的病毒，因为传统上认为，基因DNA或者RNA才是遗传物质，而蛋白质病毒能够复制，繁殖。我们会提出疑问，蛋白质在细胞与生物体中的作用是传统的定义吗。而近几年全球科学家们开始重新关注并热衷研究表观遗传学、表观遗传学的重点核心就是生物可以不通过DNA而在下一代进行遗传的现象。这会让我们提出质疑，就是在生命及遗传中谁是核心。