薛定谔的猫

（文 / 袁越）

大家都听说过“薛定谔的猫”吧？这是奥地利理论物理学家薛定谔想象出来的一种动物，它同时处于“活”和“死”两种状态，你只有打开箱子看，才会知道它到底是活着还是死了。

显然，现实生活中是不可能存在这种猫的。薛定谔提出这个概念的目的之一就是为了把量子物理学的一些理论应用到实际生活中，让大家明白两者是多么不同。事实上，科学界普遍认为量子物理学只属于微观世界，放到宏观世界就不灵了。

生物学研究的是宏观世界，照理说应该用不到量子物理学。但是，近年来有不少科学家相信生物也学会了量子物理学，生理学家卢卡·图林（Luca Turin）博士就是其中比较有名的一位。他出生于黎巴嫩首都贝鲁特，在英国受的教育，他认为动物的嗅觉不是来自于气味分子的形状，而和原子之间的量子震动有关。

传统理论认为，动物之所以产生嗅觉，是因为鼻腔内的嗅觉受体和气味分子发生特异性结合所致。这种结合取决于双方的分子形状，一种形状的气味分子只能和相应形状的受体相结合，有点像一把钥匙开一把锁。但是图林博士发现，很多含有硫原子和氢原子的化合物无论形状多么不同，都有一股臭鸡蛋的味道，他相信这种味道源自硫原子和氢原子之间的量子震动，与分子形状无关。

具体说，图林认为，当鼻腔内的味觉受体遇到某种气味分子时，受体内的电子会通过“非弹性电子隧道贯穿”（Inelastic Electron Tunneling）而穿越到气味分子当中，并在这一过程中将能量传递给对方，导致气味分子的化学键出现量子震动，从而产生味觉。这个“隧道贯穿效应”是典型的量子领域才会发生的怪现象，就好比一个人骑车爬坡，没怎么用力就过去了，好像坡的中间突然出现了一条隐形隧道一样。

图林提出的理论听上去很炫，事实上也确实很难证明。科学界公认的方法是“同位素法”，也就是用氢的同位素氘来代替氢原子。氘和氢的化学性质完全一样，只是重量有所不同，用氘原子合成出来的气味分子形状不变，但氘原子和碳原子之间的量子震动方式就发生了变化。如果动物们能区分这两种分子的味道，就说明图林的理论是正确的。

2004年，美国洛克菲勒大学的科学家莱斯莉·沃斯海尔（Leslie Vosshall）用这个办法检验了甲基苯基甲酮，发现人的鼻子没办法区分这两种分子的味道。但在2011年，图林领导的一个研究小组通过实验证明果蝇能够将两者区分开来。随后，图林又用人来做试验，发现沃斯海尔是对的，人鼻子确实分辨不出两者的区别，但图林改用麝香的主要成分——环十五烷酮做试验，却发现人鼻子能够很轻易地分辨出两者的不同味道。

图林将第二次试验结果写成论文，发表在今年1月25日出版的《公共科学图书馆·综合》（PLoS ONE）期刊上。图林认为环十五烷酮比甲基苯基甲酮含有更多的氢原子，这就等于放大了碳原子和氢原子之间量子震动效应，导致人的鼻子终于能够分辨出两者的不同之处。

文章发表后在科学界引起了激烈争论，不少人指出这类试验存在太多变数，不可信。而因在嗅觉基因领域做出突出贡献而获得诺贝尔奖的哥伦比亚大学生理学家理查德·艾克赛尔（Richard Axel）认为，只有通过电子显微镜看到鼻腔受体在微观世界的工作状况，才有可能彻底解开这个谜。

那么，这件事和我们普通老百姓有关系吗？答案是：很有关系。如果图林的理论被证明是正确的，那就意味着生物学将进入量子时代，很多千年未解之谜很可能将被解开。除了动物嗅觉领域外，目前已知在光合作用和鸟类导航这两个领域也都具备较为明显的量子特征。其中光合作用很可能需要用到“叠加态原理”，也就是一个粒子可以同时出现在很多不同的地方。鸟类导航则很可能需要引入“量子纠缠”这个概念，即两个粒子无论彼此分开多远都能实时地感应到对方的状态。

叠加态原理、量子纠缠和隧道效应都是量子世界才有的“怪”现象，如果在宏观世界再现了，那就属于特异功能的范畴了。不过广大特异功能爱好者先别激动，首先，这个理论尚未被证实，有待进一步研究加以检验；其次，即使某种生物在某个领域用到了量子物理的某个原理，也不代表特异功能就是对的，两者还相差十万八千里呢。

但是，有人认为量子理论将很可能被用于新药的研发，因为药物和靶子（受体）之间的结合很可能具备量子特征。如果真是这样的话，我们有理由期待科学家有朝一日能够研制出“量子新药”，造福全人类。 量子效应科学科普量子薛定谔