量子鸟类学，是个什么学？ | 墨子沙龙

生命是什么？

这是长久以来困扰人类的终极问题之一。从古代的神话和传说，到达尔文的进化论，再到20世纪以来生命科学的蓬勃发展，人类持之以恒地寻找这个问题的答案。物理学的发展为生命科学提供了更多方法和工具，推动了生命科学的发展，但在物理学和生命科学之间，却仍有一条看似不可逾越的鸿沟。诺贝尔物理学奖得主薛定谔以《生命是什么？》一书开启了伟大的探索，保罗·戴维斯则接过了接力棒，探求物理学和生命的深刻联系。

作为一位著名科学家，保罗·戴维斯不仅在理论物理学、宇宙学和天体生物学等领域内取得了丰硕的成果，还身体力行地参与科学传播工作，获得过尤里卡奖、开尔文奖、法拉第奖等奖项。小行星6870号以他的名字命名，也是对这些成绩的褒奖。在《信息、生命与物理学》中，他继续探索生命起源及其内在逻辑，向读者展示了学科交叉带来的洞见。

量子鸟类学就是本书带给我们的一个有趣的例子：科学家提出的一种理论，展示了曾经深深困扰爱因斯坦的量子纠缠，如何赋予一些鸟类以极强的导航能力，使它们能够在地球上广阔的地域之间迁徙和繁衍。

尽管有关鸟类导航能力的研究已经有好几百年的历史了，但直到18世纪初，鸟类学家才开始进行系统性记录。芬兰图尔库大学的医学教授约翰内斯·莱什（Johannes Leche）发现，毛脚燕是最早抵达气候寒冷地区的鸟类，平均而言是在每年的5月6日；紧随其后的是家燕，在每年的5月10日。（我从不知道鸟类竟然如此守时。）后来，通过给鸟套上脚环，对鸟类的迁徙模式进行直接观察，科学家获得了更多的数据。近年来，我们开始运用雷达和卫星进行相关的追踪研究。今天，关于这种非凡的现象，我们已经收集了大量信息，包括一些令人难以置信的统计数据。比如，北极燕鸥每年的飞行距离超过8万千米，它们从北极的繁殖地一路迁徙到南极，并在那里度过北半球的冬季。白颊林莺个体只有12克重，但它们可以不停歇地从新英格兰地区（位于美国东北部）越过大西洋飞到加勒比地区，并在那里过冬。有些鸽子在飞行数百千米后，仍能准确地找到回家的路。

▲ 北极燕鸥

这些鸟是怎么做到的?

科学家发现，鸟类会使用各种方法来寻路。它们既会利用太阳和星星定位，也会利用当地的视觉和嗅觉线索定位。但这并非故事的全部，因为有些鸟在夜晚或阴云密布的环境中也能成功定位。有些科学家把关注点放在地球磁场上，因为它与天气条件无关。20世纪70年代早期开始的信鸽实验表明，将磁体绑在鸟身上会干扰其正确导航的能力。然而，考虑到地球磁场极为微弱，鸟类是如何准确感知到它的呢？

很多物理学家声称，是量子物理学让鸟类“看见”磁场，从而让它们拥有了导航能力。显然，在生物体内有某种类似指南针的东西，它与大脑结合起来共同执行校正飞行方向的任务。想要追踪这种“指南针”并不容易，但在过去几年里，有一种合理的备选方案涌现出来。该方案建立在量子力学的基础上，事实上它依赖于量子力学最奇异的特征之一。

所有的基本物质粒子都有一种名叫自旋的属性。对于旋转体的概念，我们当然都很熟悉，理解起来也很简单，毕竟地球本身就在自转。我们可以把一个电子想象成一个微缩版地球，尽管它被缩小为一个点，但仍然保留了自旋的属性。与行星不同，每个电子都有完全一样的自旋量子数，就像每个电子都有相同的电荷和质量一样，这是它们共有的基本属性。当然，电子也在原子内旋转，但旋转的速度和方向各不相同，这取决于它们身处哪类原子中和哪个能级（轨道）上。但我正在谈论的是电子固有的自旋特征，因此我们完全可以把这种特征称为“固有自旋”。

这与鸟类的导航能力有什么关系呢？电子拥有电荷，是带电粒子的原型，这也是它们被称为电子的原因。正如迈克尔·法拉第在1831年发现的那样，移动的电荷会产生磁场。即便电子没有从一个地方移动到另一个地方，它也一直在自旋，并能围绕自身产生一个磁场。可以说，所有电子都是微型指南针。考虑到电子既带有磁性又携带电荷，它们会像指南针那样响应外部磁场。也就是说，电子会从外场感受到力的作用，而这种力试图扭转电子，使电子形成与外场相反的两极（北极和南极）。然而，实际情况很复杂。与指南针不同，电子会自旋。当外力作用于自旋体时，自旋体不会待在原地旋转，而是一边旋转一边移动，这个过程被称为“进动”。也就是说，自旋轴本身会绕着外力线旋转。熟悉斜旋陀螺（它会绕着地心引力垂线进动）的人，应该能明白我的意思。

如果一个孤立的电子除了感受地球磁场力，其他什么都不必做，它就会以每秒2000次的频率进动。然而，大多数电子都在原子内绕核旋转，并且原子本身的由原子核和其他电子形成的内在电磁场强过了地球磁场，相较之下，后者的效应几乎可以忽略不计。但如果一个电子从原子中被移走，情况将会完全不同。如果原子吸收了一个光子，这种现象就会发生。随着电子与原子核的距离增大，原子的磁场会迅速减弱，而地球磁场对电子的行为来说会变得更重要。因此，被发射的电子会以不同的方式进动。

鸟类的眼睛总在接收光子，这也是眼睛的作用所在。可以说，鸟类眼睛中的电子有机会作为微型指南针为它们导航，但前提是鸟类知道被弹射的电子正在做什么。受到光线干扰的电子必须以某种方式参与某种化学反应，从而向鸟类大脑发送信号，其内容就是关于它们活动的信息。鸟类的视网膜充满了有机分子，研究人员已经把关注点放在了其中被称为“隐花色素”的蛋白质上。当隐花色素的一个电子被一个光子弹射出去时，它不会断绝与它过去所属分子的所有关系。爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”会在此时出现，并为鸟类服务。即使被从原子中弹射出去，该电子也仍然与留在蛋白质原子中的另一个电子互相纠缠，但由于两者的磁场环境不同，它们的进动过程互不协调。这种状态不会持续太长时间，被弹射的电子和剩下的带正电荷的分子（被称为“自由基”）是化学反应的主要目标。（自由基在细胞内不停地搞破坏，它们被视为从糖尿病到癌症的许多疾病的罪魁祸首。）根据鸟类指南针理论，这些特殊的自由基要么互相反应（通过重组），要么与视网膜中的其他分子发生反应，形成神经递质，向鸟类的大脑发送信号。随着这种鬼魅般联系的具体细节和两个电子间不协调进动的变化，这种神经传导反应的速率也会有所不同，而且它是地球磁场与隐花色素分子之间夹角的直接函数。所以从理论上讲，鸟类或许真的能够看到映入它视野的磁场。这是多么有用啊！

有证据支持这个如鬼魅般的纠缠故事吗？的确有。德国法兰克福大学的一个研究小组用从斯堪的纳维亚迁徙到非洲的欧亚鸲（俗称知更鸟）做了实验，正如鸟类指南针理论预测的那样，它们的测向能力完全取决于环境光的波长和强度。该实验的结果表明，当决定往哪个方向飞时，鸟类会结合视觉信息和磁测数据做出判断。这个研究小组还尝试将环境磁场的强度增加一倍，刚开始这会干扰欧亚鸲的方向感，但这些聪明的小家伙在大约一小时内就找到了解决办法，以某种方式重新校准了它们的磁感应“设备”，以适应环境的变化。

▲ 欧亚鸲

真正起决定性作用的证据来自加利福尼亚大学欧文分校的索尔斯滕·里茨做的实验，在该实验中，鸟类受到了无线电频率（兆赫）的电磁波干扰。如果发射的电磁波与地磁场方向平行，它们就不会对鸟产生任何影响；但如果电磁波被垂直发射到鸟身上，鸟就会受到干扰。研究人员将在不同频率的电磁波和不同的环境光条件下所做的很多实验的结果综合起来，发现了共振现象的存在。这是一种我们都很熟悉的现象，即被一个系统吸收的能量会在某个频率处达到峰值，比如，当歌剧演唱家的声音达到某个频率时，会令一个葡萄酒杯破碎。如果量子诠释是正确的，人们就可以合理地预期共振现象的出现，因为无线电波可以被调到有机分子的典型跃迁频率，并且有可能干扰重要的如鬼魅般的量子纠缠的产生。

量子鸟类学的时代已经到来！

（本文摘自《信息、生命和物理学》第5章“鬼魅般的量子和生命”，标题为编者所加。）