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77 生命与量子力学的关系

了不起的物理 严伯钧 853 2024-10-22 05:00

  

  薛定谔不光是一位顶级的物理学家,他更是一位在其他领域也涉猎广泛的哲学家。薛定谔写过一本书,叫《生命是什么》。在这本书里,薛定谔以量子力学的视角,从多个方面讨论了关于生命的问题。其中一个问题是:遗传信息为什么那么稳定?

  20世纪40年代,DNA还未被发现,但人们已经用X光确定了生物遗传信息储存在极小的生物结构当中。在这么小的结构当中,根据原子的大小,我们能计算出组成遗传信息的原子不过1000多个。问题来了,1000多个原子如何稳定地表达遗传信息呢?人的体温约37摄氏度,1000个原子一直放在37摄氏度的环境中,它要不变,不受干扰,不让遗传信息出错,要如何做到呢?这很艰难,如果把1000个原子放在37摄氏度的水当中,它们早就扩散了,就如泡咖啡的过程。但薛定谔认为,遗传信息的稳定性,只有量子力学才能解释。量子力学才能解释生命的本质。

  在量子力学以前,人们觉得万物的本质是连续的。这1000多个原子可处的状态如果是连续的话,它们可能存在的状态有无数种,任意一个小小的干扰,它们都会偏离原本的状态,遗传信息就没了。但量子力学告诉我们,原子的状态是量子化的、是有限的。在这种情况下,1000个左右的原子组成的遗传性就有可能做到高稳定性,因为它们是量子化的,没有那么多状态可供选择。本质上是因为遗传信息的分子结构满足量子力学规律。

  后来由于技术进步,DNA结构被发现,就证明了薛定谔的猜想。薛定谔不仅是物理大师,也是哲学家、思想家,在《生命是什么》这本书里,薛定谔探讨了很多关于生命的终极问题,譬如,生命为何诞生?生命最终会从宇宙消失吗?这些问题都一针见血,这本书是西方大学生的必读书目。

  量子力学告诉我们,世界的本质是量子化、离散化的。我们以前会认为世界是连续的,因为我们生活在宏观世界,观测尺度太大,忽略了微观尺度的量子化特性。接下来,我们来探讨一些量子力学中的经典实验。

  

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