神秘的量子生命

图书简介

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。

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，第一层是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则,第二层次是热力学世界。遵循热力学法则。最深的第三层是量子世界。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精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!

目录

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”。
活力论
机械论
量子生物学的兴起
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
一场精心编排的分子舞蹈
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。
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，臭鸡蛋味道是78太赫！
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

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。
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