神秘的量子生命：揭秘量子自旋与超距作用

量子自旋与幽灵般的超距作用

许多热门的量子力学科普书都会介绍量子自旋，同时强调亚原子世界有多么奇异。我们行书至此对自旋一直避而不谈，因为这可能是用通俗的日常话语最难界定的概念。但是由于后文的需要，这里我们不得不介绍这个概念了。

电子自旋

spin

电子的自旋无法用速度衡量。电子处于量子世界，所以在没有被观察的时候，电子可以同时朝两个方向自旋。我们称电子这种自旋状态为自旋向上和自旋向下的态叠加。

正如地球在围绕太阳公转的同时也围绕地轴自转一样，电子和其他亚原子粒子同样会进行自旋运动。不过，我们在引言中就有所提及，量子自旋可不像网球或者地球的自旋，它无法用我们日常生活中任何对物体运动的经验来比拟。两者的差异首先体现在，电子的自旋无法用速度衡量，自旋状态只有两种可能取值，即其取值是量子化的，就像能量本质上也是量子化的一样。电子只能——宽泛地说——按照顺时针或者逆时针的方向自旋，前者通常被称为“自旋向上状态”而后者通常被称为“自旋向下状态”。由于电子处于量子世界，所以在没有被观察的时候，电子可以同时朝这两个方向自旋。我们称电子这种自旋状态为自旋向上和自旋向下的叠加态。从某种程度上来说，这听起来比一个电子可以同时出现在两个不同的位置更诡异——一个电子怎么可能同时向着顺时针和逆时针两个方向做自旋运动呢？

量子自旋还有更让人匪夷所思的地方。比如正常情况下所说的旋转360°并不能让电子恢复到起始的状态，要回归原位，电子必须自旋720°。这听起来很奇怪，因为我们还是会习惯性地把电子想成一个小球，比如一个小了很多号的网球。但是网球终究是宏观世界里的事物，而电子则栖身于微观的量子世界，两者的法度规则截然不同。事实上，电子不仅不是一个小球，它甚至连体积都没有。所以，虽然我们用网球的自转来比拟量子自旋，但是实际上它无法用日常生活中的任何事物来描绘。

不过，也不要因此就认为量子自旋只是教科书里和深奥的物理课上抽象晦涩的数学概念而已。你的身体和这个宇宙中所有的电子都在进行这种特殊的自旋运动。事实是如果电子停止自旋，我们所知的这个世界（包括我们自身）都将不复存在，量子自旋支撑了最重要的科学理论——泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle），而泡利不相容原理是整个化学科学的基石。

泡利不相容原理的一条重要结论是，如果原子或者分子中配对的两个电子具有相同的能量（在第2章中曾介绍过，分子中化学键的本质是原子间共享的电子对），那么它们只能以相反的方向进行自旋。在这种情况下，我们可以认为两个电子的自旋相互抵消，由于两个电子只能表现为一种状态，所以我们称之为自旋单态状态（spin singlet state）。单态是原子和多数分子中配对电子自旋的正常状态，但是当具有相同能量的两个电子没有配对时，两者可以朝相同的方向自旋，这种状态被称为自旋三重态状态（spintriplet state），也就是舒尔滕所研究的反应态。

不知道你有没有听说过一种十分可疑的理论，认为双胞胎不管相距多远都可以感知对方的情绪。这种理论的支持者认为，对这种现象的解释存在于主流科学还没有涉及的心理层面。还有人声称，宠物狗能够感知回家路上的主人，也是出于同样的看法。我们必须在这里澄清，虽然有人试图赋予这种现象量子力学的解释，但是这两个例子还是缺乏足够的科学证据。这种“远程同步感应”（上文理论的通俗叫法）在我们日常生活中并不存在，却是量子领域的关键特征。它的专业术语是非定域性（nonlocality），有时也叫量子纠缠，指发生在“此处”的事件对“彼处”产生了瞬间的影响，而无论“彼处”有多远。

我们以一对骰子为例。要计算掷出两个相同数字的概率并不难。先掷其中一个骰子得到一个数，然而要用第二个骰子掷出同一个数的概率为1/6。比如，每个骰子掷出四的概率为1/6，那么两个骰子同时掷出四的概率则是1/36（1/6×1/6=1/36）。由于一共有6种掷出相同数字的结果，所以掷得任意一对相同数字的概率是1/6。我们不难算出，如果连续投掷一对骰子10次，得到10对相同数字（每对可以不同，比如有一对是四，有一对是一，等等）的概率：只要将10个1/6相乘，也就是大约1/（6×107）！这意味着从统计学上来说，如果生活在英国的每一个人都成对地掷10次骰子，那么大约只有一个人可以得到10组成对的数字。(www.xing528.com)

现在想象，如果你有一对骰子，一起投掷时它们总是能够掷出相同的数。但是每一个骰子掷出的数字是随机的，掷出的数字也没有什么规律可循，然而两个骰子每次停止滚动时朝上的数字却总是一样的。显然，你会怀疑这两个骰子里有某种复杂的内部机理控制着它们的运动，比如预先编译过相同的程序，让它们以相同的次序掷出数字。为了验证这种可能性，你可以单独投掷一次其中一个骰子，然后再继续同时投掷两个骰子。如果骰子内有预先编写的数列程序，此时它们将不再同步，每次也不会再稳定出现一对相同的数字。尽管如此，你发现骰子还是每次都掷出相同的数字。

不过，所谓道高一尺，魔高一丈，这仍然可能是骰子之间通过某种方式远程交换信号、重新同步数列次序的结果。虽然这种方式看起来很复杂，但是至少在理论上还是有实现的可能性。推翻这种可能性的关键来自爱因斯坦的相对论，其中关于光速的论述认为，没有信号媒介的传播速度可以快于光。这让测试两个骰子之间是否有信号交换成为可能：你需要做的仅仅是保证两个骰子之间的距离足够远，使得每次投掷的时间间隙不足以让它们进行信号交换和同步。于是我们再假设你用上面同样的方法先打乱两个骰子的同步性，然后在地球上投掷其中一个骰子，而在火星上同时投掷另一个。即使以地球和火星之间的最短距离计算，光也需要四分钟时间从一个星球到达另一个，所以任何其他形式的同步信号都会遇到四分钟左右的延迟。要充分利用这段延迟，你只要保证两颗骰子投掷的间隙小于四分钟就可以了。这样做基本避免了骰子之间任何可能的同步信号。如果它们继续掷出相同的数字，那么两个骰子之间必然有某种密切的联系，这种联系甚至击败了爱因斯坦提出的速度极限。

虽然上述的实验并没有在星际之间实践过，但是地球上对处于量子纠缠态的粒子进行过类似的实验，结果是，相距甚远的粒子在交换信息的能力上表现得与上文中的骰子一样天赋异禀：无论相距多远，它们都能相互影响。这种奇异的特征仿佛超越了爱因斯坦的宇宙速度限制，因为不论两个粒子相距多远，它们对彼此的影响都是瞬间完成的。用于形容这种现象的术语——“量子纠缠”——是由薛定谔提出的，他和爱因斯坦都对被爱因斯坦本人称为“幽灵般的超距作用”的说法不以为意。即使他们两人对此都抱有怀疑，但是量子纠缠已经得到很多实验的证实，也是量子力学最基本的特征。量子纠缠在许多物理学和化学实践中都有应用——我们甚至将看到它在生物学中的作用。

为了理解量子纠缠与生物学的关系，我们需要把两种现象进行结合：第一种现象是两个分离粒子之间存在的瞬间相互作用——量子纠缠。第二种现象是一个量子粒子能够同时具有两种甚至多种状态的性质——量子叠加态。比如，一个电子可以同时向两个方向自旋，我们称电子处于“自旋向上”和“自旋向下”的自旋叠加态。现在把这两者合并到一个例子里：设想一个原子中有两个相互纠缠的电子，而每个电子都具有两种自旋的状态。虽然每个电子因为量子纠缠而时刻影响着另一个电子，也同样时刻受到另一个电子的影响，但是每个电子都没有确定的自旋方向。如果你还记得在正常情况下，原子里的配对电子总是处于单态的话，那么这意味着配对电子必须时刻按照相反的方向自旋：其中一个电子自旋向上，另一个电子必须自旋向下。也就是说，虽然每个电子都同时具有自旋向上和自旋向下的叠加态，但是在独特的量子力学规则支配下，它们都必须时刻朝相反的方向自旋。

现在假设我们把一对具有纠缠态的电子分离，使它们不再位于同一个原子中。如果我们选择一个电子要测量它的自旋方向，那么由于退相干，在进行测量的一瞬间它会被迫从两个方向中选择一个进行自旋。不过不要忘记，在测量之前两个电子都在同时向着两个方向自旋。对电子的测量会迫使它们呈现相反的状态：如果被测量的那个电子自旋向上，那么另一个电子则自旋向下。所以，虽然另一个电子没有被测量，但是它也从同时进行自旋向上和自旋向下的叠加态变成了只进行自旋向下的单一状态。第二个电子的自旋状态在一瞬间就被相距甚远的第一个电子所改变，我们做的仅仅是对第一个电子进行了测量，而它们之间甚至连接触都没有发生。事实上两个电子之间的距离根本不重要——哪怕第二个电子在宇宙的另一头，上述的现象也照样发生：不管相距多远，对纠缠态的其中一个粒子进行测量会瞬间让另一个粒子的量子叠加态发生塌缩。

我们可以打一个比方来帮助你理解（但是帮助有限）。想象一下有一双手套，两只手套分别被密封在相距数公里的两个盒子里。现在你手里有两个盒子中的一个，显然，在你打开盒子之前你并不知道盒子里的手套是左手那只还是右手那只。而当你打开盒子后发现里面是右手那只手套时，你立刻就知道无论另一个未打开的盒子在离你多远的地方，里面放的手套都一定是左手那只。值得注意的是，在这个例子中改变的仅仅是你的认知。不管你选择打开还是不打开手头的盒子，另一只盒子里的手套都一定是左手那只。

而上文中的量子纠缠则不同。在进行测量之前，两个电子都没有确定的自旋方向。正是因为对纠缠粒子对中任意一个粒子测量，才让两个电子的自旋从兼具自旋向上和自旋向下的叠加态塌缩为自旋向上或自旋向下的其中一种；手套的例子里前后改变的只是你对既定事实的认知。而对一个电子的测量不仅强迫它在自旋向上和自旋向下之间做出“选择”，这种“选择”还导致与其配对的另一个电子表现为互补的状态，这个过程瞬间完成且和两者的距离无关。

还有一点需要补充的细节。我们已经介绍过，如果两个配对的电子朝相反的方向自旋，则被称为自旋单态；如果朝相同的方向自旋，则被称为自旋三重态。当单态中的一个电子从所在原子跳跃到邻近的另一个原子时，它的自旋方向可以发生改变，此时由于它与原先配对的电子自旋方向相同，两个电子处于自旋三重态。尽管现在两个电子位于不同的原子内，但是它们依旧根据量子力学的规则维持着脆弱而精巧的量子纠缠态。

然而简单明了从来不是量子力学世界的特点。仅仅因为跳跃出原子的电子能够改变自旋的方向，并不意味着它的自旋方向就一定会改变。对于电子对中的每个电子，其自旋依旧同时朝两个方向进行；而对于电子对来说，此时它既是自旋单态又是自旋三重态：换句话说，在同一时刻两个电子既向着同一个方向自旋，又向着不同的方向自旋！

好了，经过预热你应该已经稍稍入门，当然也可能更疑惑了。现在是时候介绍量子生物学里最奇异但是也最著名的猜想了。