量子力学里有很多现代物理学无法解释的现象，包括量子深层的本质及量子世界真正的组成。而量子超光速纠缠，量子历史求和等都表现出量子与传统物理学不一样的特性。研究发现，在双缝实验，时间延迟实验中，观察者的观察行为本身会影响量子的行为。在实验中电子，光子做出智慧一样的选择，量子表现神奇的智能化一面。而现代对于生物的研究，也说明了量子参与了生命的构成，能量的吸收与生命的运作。任何物质，生物，细胞以及细胞里的有机物质本质正是有多量子聚合而来的。 第一节 量子的智慧选择 构成生命的基础，比如碳、氢、氧等，世界所有物质都是由分子构成，或直接由原子构成，原子指化学反应的基本微粒，原子在化学反应中是不可分割。 原子直径的数量级大约是10-10米。原子质量极小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。质子数=电子数，因此正负抵消，原子就不显电，原子是个空心球体，原子中大部分的质量都集中在原子核上，电子几乎不占质量，通常忽略不计。 假如原子核是葡萄那么大，那么整个原子就有200米左右，原子的大部分空间是不断运动的电磁场，不断运动的电子好比这个200米运动场的一粒沙子，而质子大小好比一个米粒。当然在量子概念里，它们真正的含义是不确定的。 基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。 质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。已发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近零。 在国际当前流行的量子构成方面，被科学检验的最成功的是粒子模型，粒子模型是指物质构成单元有不可再分割的粒子构成，粒子模型中基本粒子，在夸克模型提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。 1905年和1915年，爱因斯坦分别提出狭义相对论和广义相对论震惊了世界。 相对论是对牛顿的万有引力提出新的升华，把宇宙表述为时间与空间纠缠一起的四维空间，从此奠定了其物理界的伟大定位。 但是在1927年、1930年两届物理学盛会的索维尔会议中，关于量子力学的辩论，爱因斯坦两次都被以玻尔为首的哥本哈根派打败。爱因斯坦强调量子世界的因果关系，而哥本哈根派强调量子世界的不确定性。爱因斯坦由于被羞辱，从此走上了大统一理论的研究上来，试图寻找新的理论，把相对论与量子力学联系起来。 除了在哲学观念的冲突之外，相对论与量子理论的冲突主要表现在三个方面，普朗克长度一下的10-34厘米空间里，就会引发量子泡沫，而在宇宙大爆炸的开端以及黑洞，都需要相对论与量子力学结合起来，但是在这些方面相对论与量子力学都是矛盾的。 霍金在他的《时间简史》中坦言，当今世界上可能会有些人在有生之年，发现大统一理论。但这个大统一理论并不是爱因斯坦最初想的大统一理论，不可能通过一个简单的美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。因为宇宙是确定性和不确定性相互统一的，量子理论中测不准原理体现了不确定性。 现代物理学证据证明，量子力学并非不确定，电子可以分裂说明爱因斯坦的疑问并非完全错误，而爱因斯坦研究大统一理论，也是准备用新理论代替统一量子力学与相对论。至少爱因斯坦本人认为相对论并非完美，正如他所认为的量子力学不完美一样。宇宙的深层里面，微观量子世界与宏观相对论时空世界，必然产生联系。当然新理论还要囊括占据宇宙23%的暗物质与73%的暗能量。 粒子的双重属性粒子性和波动性：微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。 量子的智慧选择：量子实验本身证明了光子，电子或者60个碳分子组成的巴基球的一些不可思议的一面，比如在双缝实验中，一个光子或者电子，能够同时穿越两条缝隙，而历史求和表明量子在传播过程中具有千万个路径，在分光延迟实验中，光子在传播中，光表现出了智慧性，光子似乎看见有人或者物质挡在光子分光的另一条路径上，于是提前就没有通过该路径。而在电子双缝实验中，当有人在一边放上一个摄像机，试图记录电子传播路径的时候，电子似乎知道有人在看，于是选择了另一种传播方式，摄像机的观察影响了电子的选择，这也正是人类对量子不可了解性之一。让我们看看这几个经典实验，并了解量子的神奇性。 双缝实验 托马斯·杨的光实验的现代版被称为双缝实验。 此实验显示，从一个波源发出的一列波，然后这一列波通过开有一对相距很近的狭缝的挡板，通过挡板后两条波的发生衍射，在挡板后远端区域内扩散开来投射到屏幕上，有的点波峰遇波峰，波谷遇波谷产生干涉相长。有的点在这里波谷将与波峰相遇，从而产生干涉相消。全部的结果就是屏上出现的明暗相间的条纹，这是波动性强有力的证据。如果用电子，60个碳原子组成的巴基球代替光，那么也会出现类似结果。 单电子双缝干涉实验——如果采取控制手段，单独的一个个发射电子，或者使用弱光源，每次只让一个光子或者电子等（粒子）通过装置，如图034。 实验装置用微小粒子探测器代替屏幕，可对到达的单电子或者光子进行标记。这种单粒子双缝实验效果，如图035所示。 这种单粒子双缝实验揭示了量子物理奇异性，在此实验实现之前，玻尔与爱因斯曾经为此争论了几十年。后来，随着电子技术和探测器技术的发展，这一实验得以实现，并震惊了所有人，无论他是否是科学家。 这一实验过程是，将电子或者光子一个个向双缝发射，电子（光子）也将在探测器阵列中某一随机点显示。一直持续下去，一个电子（光子）接一个电子（光子）地发射。一开始看起来是随机的，但是发射几十个上百个电子（光子）之后，将开始出现新的现象，大部分光子的着陆点正是波动理论所预言的干涉加强处（这些着陆点大部分处在挡板的“阴影”处）。 少数光子出现在波动理论预言的干涉部分相消处，波动理论预言的干涉完全相消处则没有光子到达。随着持续不断，成千上百万的光子通过装置后，探测器阵列上将会出现清晰的明暗条纹，与波动理论预设的完全一致。 非常奇怪，人们产生质疑，是什么导致了这种现象？这个看起来随机与无法预测的，电子或者光子实验，一个个单独发射，但是结果却出现了清晰简单的与光波一样的图样，人们想问：一个电子或者光子到底是通过哪个狭缝？光子如何“知道”哪里适合着陆，哪里不适合着陆？是什么决定着光子最后的选择哪个着陆点呢？为什么就单独两个光子来说，在理论上是全同的，但是行为上却并不完全相同，不能同时着陆一点呢？与观测结果和量子理论以及一系列实验相符合的唯一解释是，每个单独的电子或者光子（包括巴基球）从光源出发到探测器的过程像波一样运动，每个光子同时通过两个缝，光子产生于一点，探测时也是一点，从光子产生到被探测到（实际是它湮灭）之间，它的行为像波。这就是波粒二象性的本质。此外，概率在这一图像中出现了，光子并不知道在哪里着陆，它只知道在不同点着陆的概率：波动理论预言的干涉相长处概率大，波动理论预言的干涉相消处概率小。在这里单个光子——同时通过两个缝——会发生衍射并且会发生干涉，观测者无论什么时候看一个光子（也就是说看探测器，或者你眼睛的视网膜实际记录的光子），它都是一个点。你不看的时候，它就会鬼使神差地像经典理论中的电磁波一样成为波在空间中传播。 电子双缝侦测实验 为了更好的观察粒子轨迹，科学家电子把粒子源换成电子发射设备，也会出现以上所有现象，当单个电子发射的时候，电子同时通过了两条缝，与自己干涉。 科学家想知道，电子到底通过了两条狭缝的那条缝，于是如图036，在一条狭缝放置了一台叫狭缝侦测器的观察设备，当他们开始观察时，神奇的事情发生了。电子开始变得象个小球，在后面屏幕上打出痕迹，但干涉图像消失了。电子好像意识到有人观察他，然后选择了不同的路径。 如果粒子源换成光子，也同样 如上用狭缝侦测器观测，我们所熟悉的干涉图案，也立刻就会消失不见，转而改变成另外一种图案。 因为按照一些科学家的假设 猜想，使用侦测器这个动作，涉及了光子与狭缝侦测器之间的相互作用。这种行为改变了电子（光子）的量子态。假设，两个同频率的电子或者光子，在同时间被发射出来，则这两个粒子是同调的。将狭缝侦测器关掉，则两个同调粒子，都会不被干扰地经过狭缝，同调地抵达侦测屏。可是，假设我们将狭缝侦测器打开，而两个同调粒子之中的一个粒子，被狭缝侦测器侦侧到，则由于粒子与狭缝侦测器之间的相互作用，两个粒子不再同调，不再互相干涉。所以，侦测屏的干涉图案会消失不见。 根据哥本哈根解释，当我们不去探究电子到底通过了哪条缝，它就同时通过双缝而产生干涉，反之，它就确实地通过一条缝而顺便消灭干涉图纹。 近几年来的科学研究更进一步地发现，干涉现象并不只限制于电子、光子，还涉及到像质子、中子等等这些基本粒子。双缝实验使用大分子构造，像巴基球富勒烯（C60），也能够产生类似的干涉图案。 历史求和 在宏观物理学领域，每个粒子都有一个明确的痕迹，但是在量子世界里，每个粒子没有明确的路径，著名的物理学家费恩曼于是推出历史求和的概念。微观量子世界，从粒子源到屏幕不是没有路径，而是意味着每条路径，如图037。 这就是量子世界与宏观牛顿物理世界的区别。这意味着粒子在双缝实验中，可能通过第一道缝隙，然后又穿过第二条缝隙；或者只通过其中一条路径；或者粒子去了广东的一个饭店，回来之前然后又去了南极； 或者从地球A穿越B 火星， 宇宙， 再返回。这就解释了粒子如何知道穿越了那条缝隙。如果只开放一条路径，粒子就穿越这条缝隙， 如果开放两条路径，粒子就会两条路径都穿越，然后产生干涉。同时地球A到火星B的粒子路径也是多样的。这听起来非常奇怪，但是目前来看，这就是最合理的解释。 延迟选择 提出黑洞、量子泡沫、真子等很多知名概念的著名物理学惠勒为了检测量子世界的不可思议的特性。通过一个戏剧化的思维实验指出，我们可以“延迟”光子的这一决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝还是两条！ 约翰·惠勒是一位90岁的老顽童，他对人非常亲切和友善。他通常总是面带着微笑并且有时还会向他经过的所有人挥手致意，并与学生合作出版物理学著作。 惠勒虽然没有获得诺奖，但是他的物理学思维却赢得人们尊敬，他第一个提出黑洞概念；引入了极小时间与极小距离的普朗克尺度，并在此尺度极限下引入“量子泡沫”概念（既时空在10-35米空间距离与10-45秒的时间间隔上的动**）；他提出质朴性原则，提出没有质量的质量，没有电荷的电荷；他提出真子概念（光子高密度集中以至于全部光子绕着共同的中心转动，这些光子是通过自身引力来保持轨道运动的）；关于宇宙深度他提出“一切源于信息”（真实宇宙世界“一切”可能最终都基于信息），惠勒开创了量子信息理论的新纪元，同时也因为他的多角度创新哲学观点而受到物理学界的尊敬。 惠勒在1978年提出的一个超出当时水平的延迟实验检验量子世界，现在已经在很多实验室实现了这一实验。该实验是在一个光子离开光源较长时间后，允许一名实验者决定这个光子是应该沿着单一轨迹进入探测器，还是沿着两条叠加轨迹进入探测器。 如图39所示，在光源出发点A直角处有一个半透半反射镜。C，B处都有反射镜。每个光子都有50%机会到达左探测器，50%机会到达右探测器。 为了描述这一实验，在A处后面偏离一侧建立光源，可向A处上方的半透半反镜发射光子束。半透办反射镜是一块镀有很薄一层银的玻璃，只能将照射到其上的光反射一半，而让另一半光通过，那么单个光子就有50%的机会被反射，还有50%的机会通过。还有另外一种情况：那就是一个打到半透半反镜上的光子将既反射又透射其波函数是分散的。光子在打到半透半反镜上后，将处于两种不同传播方向的叠加态。 建立起的半透半反镜可以使透过的光到达B处，被它反射的光则到达C处（如图039）。在上述两处放置了全反镜，这样所有光线（或者说所有光子）都会被反射到D处，在D处上方什么都不放，在D的左右分别放有探测器，这些探测器能够记录到达的光子（所有光子！）。比如右探测器发出一次嘀嗒叫声就说明从C处打来一个光子，从左侧探测器发出声音则说明从B处打来一个光子。现在，还没有态叠加的明显证据——从概率进行的测量来说，左右两侧将会各探测到一半光子。 现在，让我们来证实光子确实同时沿着两条轨迹运动：我们用一个半透半反镜放置在D处上方，这样来自B处的光有一半会被反射到右边，另一半则会直接透射到左边。而来自C处的光则有一半被反射到左边，另一半直接透射到右边。 如图040所示，通过仔细摆放该半透半反镜可以使两束射向右侧的光发生相消干涉，而两束射向左侧的光发生相长干涉。那么光都将抵达左侧，向右侧传播的光波将彼此相消，向左侧传播的光波将彼此加强。在上述情况不动的情况下，如果光源发射的是一个个单独的光子，左侧的探测器不断发生嘀嗒声，这说明不断有光子到达那里，而右侧的探测器则没有任何声音。这说明，每一个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。所有光子都抵达右侧的现象只能通过光子波函数（或振幅）进行解释。光子的波函数先分散再汇聚，从而光子波才会与自己发生干涉相长或干涉相消。 现在我们做另一个选择测试——延迟选择，证明每个光子是沿着两条轨迹运行的，这时候可以不在D处上方放置任何装置。但是，为了测量显示出每个光子的运动轨迹。我们在D处上方放置一个半透半反镜，将光源打开一纳秒，一个光子的运动速度是每纳秒1英尺（1纳秒的时间等于1秒的十亿分之一）。在这么短的时间内，光源也就发射出几十个光子。然后我等待30~50纳秒的时间，准备做出一个决定，等我们做出决定时，那些从光源发射出的光子已经离开光源很远了，但是它们到D处还有点距离，所以它们还在传播路途中。 接下来，我们想弄清楚每个光子所走的路径。然后在D处上方什么都不放置，统计左右两侧的探测器记录到达的光子，每个探测器应该各记录下一半光子。这表明到我们做开始做出决定的时候，每个光子已经被“交给”了各自的路径，要么通过B，要么是通过C处。如果我们改变决定——在每个光子发射完，光子恰好处在自己路径上之后——想弄明白是否每个光子都同时处在两个路径上，那么我们将半透半反镜放置在D处上方，通过仔细摆设透镜，产生波的干涉，这时所有光子都会奇迹般地要么抵达右侧探测器，要么抵达左侧探测器。这说明每个光子都与自己发生了干涉，而且每个光子都是同时沿着两条路径运动的。 好，我们再换一下思路，把半透半反镜留在D处上方，D处左右两侧各有一个探测器，并派一个人站在AB之间的路上（如图041），结果发现，现在没有光子（或光子波）能通过AB这条路程径，所有到达D处的光子（或光子波）都一定是通过C处过来的。此时两个探测器发生的嘀嗒声频率相同，每个从C处到达D处的光子都有50%的机会直接透射到右侧，还有50%的机会被反射到左侧。干涉消除了，光子再次成为沿着特定路径运动的单个粒子。 虽然按照现代科技， 很难验证 在几纳秒这么短的时间内做出“决定”。如果该实验能在实验室房间内进行，那么在更大尺寸上也能进行，比如足球场上，比如几百公里的范围内。正如惠勒本人所说，这种实验没有理由在宇宙距离上不能进行。比如从遥远的恒星爆炸发射出的来的光，抵达地球的光有两种可能路径，光可以在星系E，我们可以在该星系观察到从恒星爆炸发出的光子。如果是另一星系F，天文学家同样会在F星系附近看到那些光子。如果天文学家在天文台里能够接收到来自两个星系的光的位置放置一面半透半反镜，理论上沿着两条不同路程经传播的光将会发生干涉，并只在一个方向上产生可见的光子（与上述延迟实验类似）。天文学家可以在光离开类星体几万年，几百万年，甚至几十亿年之后才决定是否寻找特定路程径或者寻找两条路径之间的干涉。这太神奇了！ 但是这就是量子世界的诡秘行为，量子行为表明量子行为是概率性的，一个事件发生的世界，对事件不用的结果选择，会产生不同的行为。 以上种种如此诡异的量子行为确实是些奇怪的现象。用爱因斯坦的话说，这太诡异了，但这却是事实。所以物理学家费恩曼说：“我可以有把握地说，没人能够理解量子力学。” 有些物理学家认为双缝实验太令人混乱（你越思考，头脑就越混乱——尼尔斯·玻尔语），以致于他们认为尽管量子力学取得了无数成功，且从未失败，但仍旧是不完备的，他们相信在21世纪的某个时候——无论是下一年还是从现在起50年以后——将会出现新的理论，一种能够包含量子理论，并且能对量子理论的成功进行解释的理论，但是新理论必须更具“远见卓识”。即便是不被双缝实验表现出的古怪所困扰的物理学家也都倾向于认为量子力学的某种内在因素沿待出现。 关于量子的本性问题，爱因斯坦认为必然存在因果关系，以玻尔为代表的哥本哈根派认为测不准，几率问题就是量子本质，看到的就是真实的，玻姆认为，量子深层必然存在着隐蔽的关系。 爱因斯坦相信，如果量子力学是一个完备的理论，我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。玻尔却指出，我们观测得到的世界才是“真实”世界，哪怕我们观察世界的时候必须透过一块黑色的玻璃。实际上，玻尔坚持，这种黑暗模糊的视线本身，也跟我们看到的其他东西是一样真实的。 玻姆的理论认为，目前量子力学之所以是一个统计理论（哥本哈根派的解释），是因为存在还未发现的隐变量，这种隐秘关系甚至涉及到人类的意识问题。个别体系的规律，正是由它们决定。如果能找出隐变量就可以准确地决定微观现象每一次测量的结果，而不只是决定各种可能出现的结果的几率。 也就是说，如果发现隐变量，那么因果律还是存在的，“上帝不掷骰子”。 因此，爱因斯坦为了寻找因果关系，把后半生精力都用在寻找大统一理论中来。现代物理学实验证明，电子能够再次分裂，也能够同时测到量子的两种状态，而按照本人在另一本书里的新宇宙模型——圆转聚合的物理模型，量子世界必然存在更深层的粒子关系，没有绝对的真空，影响量子的因素就在深层量子中，电子、光、夸克等可能有其他更深层粒子组成的，也有可能有其他机理。量子世界必然存在着更深度的背景关系，这种背景关系与宏观宇宙也是关联的。只是现代科学由于工具有限很难实验发现。 而量子求和认为，因为测不准，几率问题，量子轨迹无所不在，其轨迹漫步于宇宙空间，这种认识也许存在着问题，量子能够激发更深层，微观，快速的粒子做出反应，但是单个量子本身有其影响范围应该是有限的。也许这会在以后的实应中发现，当电子射向中间有缝隙的屏幕的时候，电子就开始激发了深层粒子的反应，这会影响其途径，量子能够激发运动过程中的周围更微观粒子环境及其反应。 第二节 聚合而生的生命 碳结构不同的有机生命与无机物质世界生命与物质之间存在着病毒等中间体，人们不禁要问，是什么动力促使生命得以实现？物质与生命的界限在哪里？在第三章关于双缝实验与时间延迟实验里，介绍了量子感知与智慧选择性。很多相对实验证明，量子不仅仅有智慧选择，还有记忆性和协调性。 对于生命来说碳是必不可少的生命元素。碳在地球上储量丰富，碳不仅有丰富的有机化学合成物，而且因为碳元素之间组成结构不同，构成不同的无机物质。在无机碳物质里，碳因为结构不同可以成为脆弱顺滑的石墨，也可以变成世界最硬的钻石，也可以变成具有催化功能的富勒烯。 而在有机碳丰富的世界里，就拿氨基酸来说，因为不同的结构，相同分子的不同折叠，就会变形出不同的蛋白质结构（生命分子结构图见第九章九层宇宙部分），如构成人的皮肤、骨骼、血管、神经等。有机化合物主要由碳、氢和氧元素组成。构成人体需要的脂肪、氨基酸、蛋白质、糖、血红素、叶绿素、酶、激素等。生命体内的新陈代谢和生物的遗传现象，都涉及到有机化合物的变化。目前人类已知的有机物达8000多万种，数量远远超过无机物。对人类生活、生产有极重要的意义。 有机化合物的碳原子的结合能力非常强，互相可以结合成碳链或碳环。碳原子数量可以是1.2个，也可以是几千个、几万个，许多有机高分子化合物甚至可以有几十万个碳原子。此外，有机化合物中同分异构现象非常普遍，这也是造成有机化合物众多的原因之一。碳原子可用共价键彼此连接生成多种结构，组成数量巨大的不同种类的有机分子骨架。 无机碳的物质世界：碳以多种同素异形体的形式存在，因为结构不同构成不同的物质，碳是钢铁的主要辅助元素，碳纤维是飞机的主要材料。 碳因为结构不同充满神奇的不同功能：比如石墨、金刚石、富勒烯（也被称为巴基球）、石墨烯、无定形碳、碳纳米管、六方金刚石、碳纤维、碳气凝胶（密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）碳纳米泡沫（蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性）碳纳米泡沫： 碳纳米泡沫呈蛛网状，具有分形结构，有铁磁性。泡沫由许多原子团簇构成，每个含有约4000个碳原子，直径约6~9纳米；其中很多原子团连在一起，形成了纤细的网。泡沫由团簇构成，似乎形成了石墨层，碳纳米泡沫的密度很低，与碳气凝胶很相似，但密度是它的百分之一；它是目前世上最轻的物质之一，密度约为2毫克每立方厘米，仅有海平面上空气密度的几分之一。 富勒烯：富勒烯是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。 富勒烯C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子。富勒烯具有完美对称的足球结构，C60分子的电子能级简并度最高可达五重。C60具有很高的电负性，它能够接受电子而形成带负电子的阴离子。C60还容易发生电化学加氢反应.C60电极能够通过氢而发生电化学充电反应。勒烯可以作为一类新的催化剂材料的基础。在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金属原子，如铂、钯等，制成一类新的催化剂，在这种催化剂中，催化性原子被碳笼保护起来。这也是第一个发现的由一种材料的数个原子组成的团簇催化化学反应，因为催化剂通常只在很大质量下才起作用。 同时我们发现，类似碳C60组成的富勒烯，就像多层聚合宇宙里讲的，因为不同层级的聚合结构，就会产生不同寻常的物理学效果。 第三节 量子感知的世界 现代量子生命的三要素 2013年4月，乔治亚理工学院的王中林带领的一个团队，找到一种方式将这种压力发电的原理用于创造一种细微调整的电子触觉。压电效应指的是对晶体和其他固体材料施加机械压力时产生的某种电荷。王中林说道：“这种技术突破能够使机器人更像它们的创造者。当我们人类接触的火的时候，我们知道它是热的。而这项技术能够使机器人拥有人类的感觉，换句话说，就是使机器人更像人类。” 除了使机器人具备人类的敏感度和计算机的精密度之外，这项技术还能够被用于高精密度的修复学和“智能”生物医学治疗。这是一种智能材 料，能够使物质产生感知，当然这种感知与人类的感知还是有区别的。那么在真实的生命与物质之间，界限到底是什么，那么我们可以从量子角度更多看待生命问题。 正如富勒烯的特性一样，不同的量子结构，就会产生不同的现象，量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命与物 质的分界线，量子是一种从物质到生命的中间状态，宇宙演化中，从量子开始，一方面向物质演化，一方面向生命演化。 蛋白质病毒是一种奇怪的病毒，因为传统上认为，基因DNA或者RNA才是遗传物质，而蛋白质病毒能够复制，繁殖。我们会提出疑问，蛋白质在细胞与生物体中的作用是传统的定义吗。而近几年全球科学家们开始重新关注并热衷研究表观遗传学、表观遗传学的重点核心就是生物可以不通过DNA而在下一代进行遗传的现象。这会让我们提出质疑，就是在生命及遗传中谁是核心。 科学家在动物非生殖克隆中，掏空母体卵细胞中的DNA，然后注入克隆对象的体细胞DNA进行生长。这种克隆不能把DNA移植到普通去除DNA的细胞中。克隆说明生物成长环境需要的一个不仅仅是去除基因DNA的细胞，而需要一个特别的全息的母卵细胞蛋白质环境（细胞中除了DNA其他大部分是各种蛋白质物质）。同时科学家在克隆鱼的时候，借助另一种鱼的卵细胞进行克隆，克隆成活的鱼经常会同时体现出两种鱼类的外貌特征，这说明蛋白质在遗传中的作用可能被科学家们忽略了。遗传物质染色体除了关键的DNA外，染色体其实是核小体组成的，核小体就是有DNA按照非常精确的尺寸包裹着组蛋白质组成。 染色体结构说明，蛋白质是DNA中的内层结构，应该在遗传记忆中占据更重要的位置。人类及动物大脑的记忆，很多时候与蛋白质有关系。那么我们会问，蛋白质，DNA是有机分子组成的，有机分子有量子组成，量子有没有记忆呢？答案是肯定的！ 从物质角度讲，量子物质世界向生命世界演化，应该需要如下三个要素：第一，物质系统感知能力与多量子协调能力。 第二，量子记忆能力。 第三，分子的自我组织性。 首先，系统感知力与多量子协调能力是生命需要的必要基础，因为只有物质在有整体感知，内部协调信息互通的情况下才能形成构成生命基础的第一步，感知与应激是生命的重要特征。而在物质向生命演化过程中，物质的整体感知力与内部多分子的协调能力至关重要。 DNA以一长串复杂的线圈形式累积成染色体，DNA各线圈缠绕在若干组蛋白束上形成一“串珠”结构。这些线圈构成一个染色质链，然后染色质折叠成许多环，再卷曲形成一个染色体。 其次，建立在客观量子纠缠基础上的物质的记忆特征，是物质得以复制，自我组装的驱动力。量子形成的物质，在适度环境下具备了生命的基础条件，当环境改变，就会形成一种进化特征。 最后，物质的自我组织性，是物质向生命演化繁殖的基本条件。而我们要探索物质的这几种特性就是为了证明物质与生命来源的一体化。 我们已经知道，氨基酸与有机分子从46亿年前的太阳系形成之前，就已经存在于太空中，在漫长的演化中，原始星云有机分子，一直保留在地球大气层中，或者彗星与小行星陨石当中，在地球形成开始，就有很多彗星与陨石不断飞向地球。 在地球形成漫长历史中，由于雷电，狂风，地球火山不断喷发，水从岩石中不断渗出。由于地球运动非常激烈，火山与包含着水的泥浆混合喷涌，地球表面或者深处，大量有机分子与泥土混杂一起，有机分子具有聚合球形效应，很容易形成生命层级的自我感知系统。而且由于这些有机分子的纠缠与协调能力，使聚会一起的很多分子，在一个广泛的范围内形成一种协作能力，使光或者热能的吸收，能量分配，能够协调完成。一旦形成这种协调能力，量子物质就会记录下来，生命的形成不是有机分子单独完成的，而是多种有机分子团聚成自感系统并在量子记忆基础上多分子协调而成的，而分子组装本身就是量子的本性。 有机分子与无机化学的分子领域，有各种反应，各种的复杂性，而对于这些互相交错的反应，因为不同的环境，比如光的条件、电磁条件、温度条件、催化剂条件、时间效应等环境不同而不同。物质的量子与分子层面的团聚合属于物质的天性，也有其规律延续性，不同分子层面的组合，不同的分子叠加，就会屏蔽外部的干扰，使内部能够因为量子纠缠而协调起来。虽然以下证明只单独证明了粒子物质的感知力、协调力、记忆能力、与自组性。但是对于分子层面中，物质多层面的叠加聚和，和对于物质来讲其具有这几个方面的共性，就是感知协调力、记忆能力和自我组织性。这是物质本身具有的三个状态，在多分子叠加后就能够顺理成章地一体化了。 第一，系统感知力与多量子协调能力的证明2013年10月，美国加州大学伯克利分校的泰伦斯·狄肯（Terrence Deacon）在近期的一次演讲中认为：生命最初开始的非常简单，它不可能产生于复杂的多个分子结合。在此之前一定有一步先创造了这些分子本身。 生命形成之前必须克服的一个棘手问题便是产生秩序。秩序可以在局部创造，即使整个系统倾向于混乱，但通过系统加热可以重新组织秩序，例如当均匀加热稀薄油层形成贝纳德对流晶格时，就会创造一种规则的六边形样式。 泰伦斯·狄肯（Terrence Deacon）认为：如果你加热某事物后它变得规则化，那么它要做的就是尽快摆脱这种热。如果你不持续向系统里输送热量，它就会自我关闭。事实上，自我组织的系统尽快毁坏保持组织秩序的一切条件。生命只可能在秩序产生后才能形成，但它必须保证秩序不会降级且系统不会最终自我毁灭。 英国诺丁汉大学物理与天文学院教授迈克尔·史密斯博士联合爱丁堡大学与都灵理工学院的研究人员，共同发现了一种性质奇异的“合成**”，其在重击之下，会像固体一样粉身碎骨，而慢慢倾斜之后，又可如**一般流淌。该研究成果刊登在英国《自然·通信》杂志上。史密斯博士介绍说，在低速条件下，该物质表现出**的流动性，而在高速度和高浓度的状态下，就会如固体一样粉碎。这就好比在一杯水中倒入一大勺玉米淀粉，如果搅拌得足够快，溶液中的高密度颗粒便会彼此相融而形成紧固的糊状物。更令人惊异的是，在即将变成固状之前，该**还会呈现出具有橡皮筋般弹性的细丝形态。 另外，英国《纳米通讯》杂志刊登了一则“石墨烯具有自我修复的能力”的报告。石墨烯是只有一层碳原子的世界上最薄的材料，科学家们为探索石墨烯在电学方面的特性，让石墨烯薄层与金属不断接触，这个过程在石墨烯薄层上造成了许多孔洞。研究人员用电子显微镜观察这些孔洞发现，孔洞中可能会嵌入金属原子，但如果孔洞周围还存在额外的碳原子，这些碳原子会将金属原子“赶”出来，自己则嵌入孔洞之中，并与石墨烯薄层中原有的碳原子相连接，使整个石墨烯薄层修复如初。研究人员认为，这一现象说明石墨烯具有良好的自我修复能将可以提高石墨烯的应用价值，进一步拓宽这种“神奇材料”展示身手的舞台。 关于量子的协调能力，也可以从离子体态和玻色—爱因斯坦凝聚态上体现出来。 离子体态是指被激发的电离气体电离到一定程度后，便处于导电状态。这种状态的电离气体表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响其周围带电粒子，同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等，所以电离气体整体表现出电中性，这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称为物质第四态。 玻色—爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态，要达到该状态，一方面需要物质达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。这需要让电子处于一种相互关联的状态中，一个电子上的变化立刻会由其他电子反映出来。 在室温下，电子就像台球会相互撞击，遵守经典力学法则。而随着温度不断降低，电子会平静下来并意识到临近电子的出现。接着，电子们可能就会集体行动，而这种集体行为则遵守量子力学法则。电子们进行着一种复杂的“舞蹈”，它们都试图呈现最好的排列方式，让其达到最低能级状态并最终形成新的模式或基态。 同时在量子热力学上还有一个“普适状态”。在正常的量子系统中，决定粒子运动的是它们的类型（如原子、质子等），而在由强相互作用粒子（如费米子）形成的系统中，粒子的运动并不取决于它们的类型，这种运动状态就是“普适状态”。一个由澳大利亚科学家和中国科学家组成的研究小组利用费米气体的研究成果，证实了量子热力学的“普适状态”。 另外据美国物理学家组织网2013年8月15日报道，美国科学家揭示了物质的量子状态自旋**的存在机理，这有望加深科学家对超导性的理解。 自旋**不是人们能触摸到的物质，它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键，例如在铁磁铁中，原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中，原子的自旋方向会上下改变，20世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。 科学家们表示，可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列，它可能会产生量子自旋**。比如有一个等边三角形的反磁铁，每个角上都有一个原子自旋，其中一个自旋向上，一个自旋向下，那么第三个原子采用什么方向自旋呢？它不可能同时与前两个方向相反，因此物理学家用“挫败”来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见，一个“挫败”自旋系统的妥协是同时存在很多自旋方向，量子系统允许出现这种叠加状态。 在新实验中，科学家们研究了当“挫败”现象出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用，距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示；次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用，观察并计算了可能会出现的状态。 科学家们发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋**，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。 参与研究的科学家加里塔斯基表示，很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子，会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋**。而且，其与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了**（费密**）。这些现象也许能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。 最近，科学家又在量子自旋**中发现隐藏秩序。这种没有传统磁力的隐藏的磁性“量子秩序”是科学家在研究一条100个原子场的陶瓷原子链时发现的，科学家们对一种陶瓷材料进行研究，这种材料是一个个以镍为中心的氧八面体首尾相连的链式结构。这种链并不是普通的磁子，而是奇异的量子自旋**，其中的电子自旋即使在很低的温度下其方向也是随机的。通过使用中子来对这些磁性激子成像并测量其传播的距离，科学家们发现尽管经典上无序，但磁性激子都能够在低温下穿过整个原子链。他们还发现可以通过引入缺陷或者加热来限制这种量子相干或者使之完全消失。 而来自瑞典科学家通过实验证实，磁纳米接触可使自旋波“繁殖”。观察结果与十年前科学家提出的“磁性纳米接触会让纳米尺度的自旋波繁殖”这一理论相吻合。在研究中，科学家们制造出直径约为40纳米的纳米接触，自旋波被造于3纳米厚的一薄层镍铁合金内，模拟显示，磁性纳米接触会让自旋波像水波一样扩展。 近藤效应是电子与其周围电子发生非常复杂的纠缠引起的，目前的研究方法只能测量到近藤状态，无法获知电子是如何与其周围环境发生纠缠的。据美国科学促进会网站报道，2013年6月30日发表在《自然》文章揭示了近藤效应状态下单个电子是如何与其周围环境产生纠缠态的。由来自美国、德国和瑞士科学家组成的研究团队利用激光散射技术探测到近藤状态下的电子活动。根据激光散射过的电子不同状态，他们推测出电子能通过吸收不同颜色的激光来改变温度，反射回来的激光能够携带量子纠缠态的特征，从而可以观察到电子与其周围环境之间的关系。科研人员利用纳米结构的设备将电子捕捉在小凹槽里，从而将单个电子分离出来。但是凹槽中的电子只能保持有限的隔离，最终还是会跟周围的大量电子纠缠在一起。 弗吉尼亚联邦大学的物理学教授施夫·汉纳领导的团队发现了新型“超原子”，种性能稳定的新型“超原子”，是由1个铁原子和8个镁原子集结而成的原子簇，具有令人不可思议的磁性，兼具电性和磁性。科学家发现了一原子簇拥有8个镁原子时，其充满电子的壳层与未填满的壳层几乎完全分离，从而获得非凡的稳定性。当一个原子的最外层被填满并且与未填满的壳层分开时，该原子处于一种稳定的状态，惰性气体的原子就是如此。新的超原子还会优先使朝特定方向自旋的电子遍及整个原子簇这种兼具磁性和导电性的超原子将在分子电子设备领域大展拳脚。 一般两朵云相遇，会互相弥散彼此透过，但美国麻省理工学院物理学家却造出了一种奇怪的超冷气互斥云，即使将其密度降低到只有空气的百万分之一，它们在相遇时也能像两个保龄球一样彼此弹开，这是科学家首次观察到气体之间无法互相透过的现象。此次研究人员在实验室里造出的云是一种冷却到接近绝对零度的锂原子气体，用来代替电子。锂同位素也是一种费米子，用来模拟强相互作用系统模型。研究人员用磁场调整锂原子的能量态，让原子之间产生自然状态的强度相互作用，即每次它们相互遭遇，就会散射开。气体被冷却到五百亿分之一开氏度以消除热能影响，再用磁力将气体分开成两部分，分别标记为“上旋” 和“下旋”，然后让两部分气体在激光势阱中相撞。研究人员发现，它们不但不像通常那样互相弥散透过，而是戏剧性地互相推开。气云最终还是会弥散融合，但要花很长时间，有几次甚至用了一秒甚至更长，这对微观事件来说是极其漫长的。 第二，量子记忆 由德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组成功首次将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180微秒后将其读出。 这说明单原子也能存储量子信息。 物理学家将量子信息存储到非常冰冷的原子缠结中，并大幅度提高了从中检索的时间。 量子互联网的目的是分配“缠结”的量子位——两个距离很远、有相互关系的数据位，代表“0”或者“1”。所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的神奇连接，即使粒子位于宇宙空间的两边，这种连接都能以极快的速度连接，量子位像光子一样在光纤网络中旅行。为了达成量子记忆，研究人员使用一个铷87原子系综，并将其冷冻到绝对零度以使原子的活动最小。为了存储信息，该原子系综被暴露于携带信号的激光之下，允许每一个原子作为“集体激发”的一部分参与存储。简单来说，每一个原子“看见”了前来的信号，一个快速摆动的电磁场，就会刻下相位信息，该相位信息之后就能被“读”到。尽管非常冰冷，系综原子可在任意方向自由移动。因为每一个原子存储量子信息的一部分，且数据的有用性依赖每个原子参照其他原子的位置，原子大量的运动可能会破坏信息。 加拿大和德国科学家合作成功地在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息。物理系教授沃夫冈·泰特尔使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到-270℃。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化。泰特尔表示，研究结果显示，量子所拥有的“纠缠”这种物理性质，并不像我们以前所通常认为的那样“脆弱”。 由英国牛津大学和曼彻斯特大学组成的联合研究小组通过化学工程，制造出一种名为Cr7Ni的特殊分子结构，并演示了其磁性能保持量子叠加态超过15微秒，在因退相干而失去信息之前，它们的自旋状态可反复转换。 分子磁铁是一种分子，其磁矩通常按分子结构的特殊轴线排布，因此在磁场的影响下，其电子自旋方式也会变成不止一种状态。在低温下，即使没有磁场，它们也能保持这种状态，这一特性使采用它们来存储信息成为可能。利用化学工程合成人造分子，可以作为量子比特，并使其记忆时间段大大延长。研究人员介绍说，实现单量子比特操作的必要时间为10纳秒，根据以往对Cr7Ni分子磁铁的研究，其相干时间大大超过了这一限制。此前的记忆时段最高纪录为3.8微秒，另外一些分子磁铁系统的记忆时长也能保持在1微秒左右。“记忆时段和相干时间是非常相似的概念”。论文合著者、牛津大学的阿章·阿达万说，“记忆时段越长，表明在量子信息损失之前，能操控量子比特的次数越多。如果能精确控制分子结构，找出各种退相干的机制，就能尽可能减少这些退相干因素”。 另外，一种量子记忆体也被加拿大和德国科学家合作在超低温环境下成功制造了出来。研究人员使用一种掺杂稀土离子并冷冻至-270℃的铌酸锂晶体，成功实现了存储和再现纠缠态光量子，也就是说，他们已经制造出了一种量子记忆体。这种超低温晶体所具有的存储和再现光量子的材料特性，与计算机中字节的保存和调用非常相似。在这种状态里，光量子之间形成“纠缠”关系，即便是它们游离开来相距甚远，也会保持这种“纠缠”关系。在某种程度上讲，这种“纠缠”关系意味着量子之间尽管相距甚远还将存在着通信联系。 美国和德国科学家在最新研究中，将包裹于钻石内单个电子里的量子信息移入邻近的单个氮原子核内，接着使用芯片上的布线让其返回。这是科学家首次证明，钻石内的亚原子也拥有量子记忆，全量子信息能在室温下，在单个电子自旋和单个核自旋之间来回高保真地转换。由于亚原子核状态与外部世界之间更难发生具有破坏性的相互作用，钻石内的亚原子也拥有量子记忆。 该研究团队之前已经证明，能够使用氮原子束故意在钻石上制造瑕疵来捕获单个电子，从而合成出数千个这样单个的电子状态，在室温下钻石中的瑕疵也能精确地做到这一点，于是科学家开始考虑利用有瑕疵的钻石来存储数据。由于量子物理学独特的属性，在某种特定的情况下，两个量子物体能混合成为一个新的复合体。通过将瑕疵内电子的量子自旋状态和氮原子核的自旋状态在很短的时间内（不到1千万分之一秒）混在一起，最初被编进电子中的信息会被传递给原子核。量子信息能够被很快地转运给寿命长的核自旋，这能进一步增强我们纠正量子计算中出现的错误的能力。 英科学家们表示，已经研发出了一种新方法，利用“智能材料”来使蛋白质结晶，这种智能材料能记住分子的形状和“性格”。研发新药的过程一般如下：科学家们会先找出一个与疾病有关的蛋白质；接着设计出一个能同该蛋白质相互作用的分子，来刺激或者阻止该蛋白质的功能。研究者利用一种名叫“分子印迹聚合物（MIPs）”的材料，研发出了一种更有效的制造蛋白质晶体的方法。MIPs 是一种由小单元组成的化合物，这些小单元紧紧包围着一个分子，当其中的分子被提取出来后，会留下一个洞穴，这个洞穴能够保持其形状，并对靶向分子具有很强的亲和性。这种属性使MIPs成为一个理想的成核剂，其能将蛋白质分子绑在一起，并使蛋白质分子更容易集结从而结晶。现实中需要很强的力量才能让蛋白质脱离溶液并形成晶体，MIPs可以成为这个过程的“幕后推手”，它会使用这个蛋白质作为其形成晶体的模板，一旦第一个或第一组分子被放在正确的地方，其他分子能自我排列在它周围并且开始结晶。研究发现，有6个不同的MIPs诱导9个蛋白质形成了晶体，而这些蛋白质在此前的实验中结晶情况并不理想。 1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地 变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金被誉为“神奇的功能材料”。 1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。 第三，自我组织性 上海交通大学研究人员报道了宏观自组装现象，这项研究为生命起源提供了新的启示。2004年1月，在美国出版的《科学》杂志，发表了上海交通大学化学化工学院颜德岳教授及其博士生周永丰、侯健的论文《形成宏观管子的超分子自组装行为研究》。该论文在国际上率先报道了宏观自组装现象，由一类新型的不规则的大分子自组装得到了厘米长度、毫米直径的多壁螺旋管，将超分子自组装研究领域拓展到了宏观尺度，使我国在这一研究领域处于国际领先的地位。 据介绍，超分子自组装是近年来国际科技界关注的一个前沿热点。人们知道蛋白质、细胞乃至生命的形成都是通过自组装来实现的，因此自组装的研究对揭开生命现象奥秘具有十分重要的意义。另外，自组装是目前用来制造纳米材料的最方便最普遍的途径之一。特别对于制造结构规则的功能材料，自组装已经显示出独一无二的优越性。可以说，自组装研究不仅具有重要的学术意义，而且具有广泛的技术应用前景，因此吸引了众多科学家的目光。 由颜德岳教授课题组进行的这项研究始于1998年冬，经过5年多的努力终于成功地自组装得到了形貌更为完美的宏观多壁螺旋管，并经多次重复测试都重现了自组装现象。这项研究结果所展示的从分子直接自组装得到宏观物体的过程和生命物体的形成过程有关，为生命起源研究提供了新的启示。 中国科学院化学研究所光化学院重点实验室江华课题组与法国的科研人员合作在超分子自组装研究中取得了新进展，成功地合成了一系列具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物。 研究人员通过片段加倍合成法，成功地合成了分别含有2、4、8个喹啉酰胺结构单元的寡聚物。这些寡聚物通过分子内F—NH和N—NH氢键自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系（图046和图047）。研究表明无论是在晶体中还是在溶液中，这些多肽寡聚物都呈现相同的螺旋结构。研究人员还发现单螺旋必须通过增加螺旋间的距离才能够组装成为双螺旋超分子体系，并在此基础上提出了多螺旋结构形成的弹簧伸展原理（图048）。这和短杆菌肽（Gramicidin）有着十分相似的自组装机理，这些研究结果为探索合成新型人工合成折叠分子及其超分子结构提供了新途径。在自然界中，许多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋结构。 美新发现自旋纳米粒子会自我组装成“活着的晶体”：2014年02月26日据中国科技网，每日科学网报道，美国密歇根大学教授莎朗·格洛特兹领导的团队在解决纳米粒子自我组装时发现，只是让纳米粒子自旋就会诱导它们组成科学家们所谓的“活着的旋转晶体”，这种晶体或许可以用作纳米泵，在设备内运输物，也能顺带解释生命的起源。科学家们之所以称这种晶体为“活着的”，是因为从某种程度上来说，它们自己就采用一种非常简单的规则呈现出了生命的形式。 包括格洛特兹在内的科学家一直在探索纳米粒子像生命刚开始，是如何从无序状态，自然演变成有序状态的。而格洛特兹团队解决这一组装挑战的方式是，持续不断地添加拥有能量的组件，用这种方式来处理纳米粒子。结果，研究人员最近发现，如果粒子从基本运动（比如朝一个方向移动）就开始获得能量，那么，它们会相互影响，形成群体，而格洛特兹团队发现，旋转的粒子会自我组装。该研究团队认为，尽管计算机模拟是二维的，旋转的粒子也能变成“活的” 三维晶体，因此，或可用于解释生命的起源。 这是一种由自我装配的有机分子形成的二维准晶体。这种奇特的准晶体由扁平的单层五边环分子组成。 这个分子组奇特的装配方式导致这一层里的其它分子形成了五角形、星形、船形和菱形等形状。如果这是一个规则的古老晶体，那么这些群体和形状会在每一层里以可预测的方式反复出现。但是，在准晶体里，同一层里反复出现相同的形状，但似乎不是以有组织的形式出现。准晶体的结构是部分晶体部分紊乱的，是介于重复对称单元的结构和完全无序的建构单元结构之间。 有关自我装配的意思，不少科学家们也表示异议。科学家维德拉认为这个术语可以应用于所有的准晶体结构，而不仅限于新发现的这个。坎德尔辩论称由强大的化学键组成的结构——正如其它准晶体一样——其实并非是自我装配的。这些强大的化学键“压倒了”单个建造单元互相结合的力量，使得材料别无选择只能形成组织。而在这种新的准晶体里，这些建造单元是由微弱的氢键结合在一起的。“自我装配非常有趣，因为驱动组织形成的力量远比单个结构形成的力要更微弱。”坎德尔说道。 第四节 “人造生命”的发展 据科学家介绍，“人造生命”在本质上应该具备以下三个方面的基本要素：第一，必须有一种细胞膜来容纳细胞物质；第二，要能进行新陈代谢，即细胞结构内营养物质的补充及更新能力；第三，具有自己的基因。从事“人造生命”研究的科学家相信，将来有一天，人造的生命形式将有潜力解决很多问题，从治疗疾病到防止全球变暖等等，意义可谓非常重大。 对许多人来说，简称DNA的脱氧核糖核酸并不陌生，它是携带生命遗传密码的重要载体。但如今，即便如此重要的载体也能被人工合成的物质替代了。 英国医学研究委员会分子生物学实验室等机构的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上发表报告说，他们人工合成了一种名为XNA的物质，在许多关键功能上可替代DNA，这对研究生命起源乃至“人造生命” 具有重大意义。 据研究人员介绍，XNA也能像DNA一样存储遗传信息。由于它所用的“链齿”，也就是碱基，和DNA中的一样，因此XNA链条和DNA链条之间还可互相结合，实现遗传信息的传递。在实验中，研究人员将一个DNA链条上的遗传信息传递到XNA上，随后再传回另一个DNA链条，遗传信息传递的准确度高达95%以上。此外，如果满足一些前提条件，部分XNA聚合物在试管中还能如DNA一样进化成不同形态。 报告的作者之一菲利普·霍利格说，上述实验结果说明XNA已拥有DNA的两个关键功能——遗传和进化。由于人造的XNA在分子构成上与DNA并不完全相同，这说明DNA不一定是携带生命遗传密码的唯一载体。因此有观点认为，地球上的生物之所以都采用了DNA来携带遗传信息，是因为地球生命起源之初，环境中相应种类的分子数量较丰富。而在宇宙中其他地方，也许存在遗传方式不相同的生命形式。 这项研究还被认为是在“人造生命”道路上迈出的重要一步，不过有专家认为，人类使用XNA来人工编制遗传信息并创造一种新生命，还有很长的路要走。 美国生物学家克雷格文特尔在实验室中制造出世界首个人造生命细胞。 克雷格文特尔将一种称为丝状支原体丝状亚种的微生物的DNA进行重塑，并将新的DNA片段“粘”在一起，植入另一种细菌中。新的生命由此诞生，这种新生的微生物能够生长、繁殖，并产生一代又一代的人造生命。植入的DNA片段包含约850个基因，而人类的DNA图谱上共有约20000个基因。这个人造生命被戏称为“人造儿”（synthia），它是人类科学史上一个革命性的成果。 新华社消息报道，日本研究人员用简单有机化合物合成人造细胞。研究人员先利用类似界面活性剂的分子、催化剂以及水制成双层膜，然后把混有从大肠杆菌提取的DNA（脱氧核糖核酸）和DNA合成酶的水注入双层膜，让膜包裹着含DNA的水，形成外观像细胞的直径1~10微米的球体。 通过让球体内**的温度升高至95℃再下降到65℃。在不断重复这种温度变化的过程中，加上酶的效用，DNA成功复制，经过20次反复，D N A 增加至1 0 0 多万倍。 DNA增加后，再添加制作膜的有机化合物，部分DNA就附着到双层膜内壁，人造细胞开始膨胀，约4分钟后如同天然细胞分裂一样从中间断裂，形成新细胞。在实验中一个人造细胞能分裂出8~10个细胞。据介绍，虽然在这次研究中使用来自于大肠杆菌的DNA，不过即使使用人工合成的DNA，人造细胞也能实现同样的增殖。 英国科学家用含有金属的巨型分子，成功地制造出了类似于细胞的气泡，并赋予它们一些类似生命的特征。研究人员希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体。 格拉斯哥大学的李·克罗宁通过将由钨（占大多数）和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐简单地在溶液中混合，让其自我组装成了像细胞一样的球体，把得到的气泡称为无机化学细胞。通过修改其金属氧化物骨架，让其拥有一些天然细胞膜的特征，让不同大小的化学物质有选择性的进出细胞膜，以此控制细胞内可发生何种化学反应（这是特定细胞的一个关键特征）。在气泡内创建出了模拟生物细胞内部结构的分隔。他们朝气泡填充物质，通过让一些氧化物分子与感光染料结合来进行光合作用。早期的研究结果表明，他能制造出一个膜，其受到光照时，可将水分解成氢离子、电子和氧，这是光合作用的第一步。 克罗宁表示：“也有迹象表明，我们可以激发质子穿过该细胞膜以建立一个质子梯度，这是利用太阳能的另一个关键阶段。如果能将所有步骤有效地整合在一起，我们就能创造出一种带有类似植物代谢成分的自供电细胞。” 科学家利用3D打印机制造出“微型肝脏”：2013年4月，美国加州Organovo 公司采用3D打印机逐层打印了大约20层活细胞，制造出微型肝脏器官，深度仅0.5毫米，宽度4毫米，但它却具有真实肝脏器官的多项主要功能，包括产生运输激素的蛋白质，将盐和药物送递至全身。伴随着细胞从血管抵达肝脏器官，送递营养物质和氧气，能保持5天的生命力。目前，这种微型肝脏可以生成固醇和细胞色素P450s，后者能在肝脏器官中新陈代谢药物，是一种具有解毒作用的酶。 2013年2月26日由麻省理工学与以色列合资的一家制造商公布了一项“4D打印”新技术，它使用水来激活并且为一连串自动折叠成为设计形状的材料提供能量。这个概念就是创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体，而且它们能够进行自我调整。打印不再是创造过程的终结，而仅仅是一条路径。发布者Tibbits在一场采访中说道：“我们想要说的就是，你设计出产品并且打印出来，而它能够进化。它就像在材料中植入了智慧。” 麻省理工学院（MIT）和宾夕法尼亚大学的研究人员使用20毫秒的激光脉冲对经过转基因技术可表达光活化蛋白的骨骼肌细胞进行照射刺激，激光脉冲可导致肌肉出现独特的收缩，这样科学家就能在激光脉冲的控制下精心设计出复杂的组合运动。该技术的应用使得我们开启了新一波使用有机材料打造“生物融合体” 机器人的研究热潮。 《自然·生物技术》杂志消息报道，美国研究人员利用硅树脂和老鼠心肌细胞制造出了“人造水母”，它在电流的刺激下能够在水中像水母那样游动。 美国哈佛大学和加州理工学院的研究人员报告说，这个“人造水母”的外形像一朵八瓣花，八个“花瓣”都是由硅树脂制成，在它的中心是附着在薄膜上的老鼠心肌细胞。把它放入水中，每次通上电流，心肌细胞就会收缩，并带动八个“花瓣”向中间收缩运动，在电流消失后，硅树脂的弹性会使得它恢复原状。整个过程和自然界中水母的运动方式非常相似。研究人员说，接下来将尝试为“人造水母”增加一个“大脑”，使得它能够控制划水的角度和方向，更加接近真实的水母。 这项研究可能会引发新的关于“人造生命”的讨论。过去的一些“人造生命”走的是人工合成类似DNA物质的路子，而本次研究直接模拟出了一种生物，这样使用生物的细胞来制成“新生物”，可能会引发各种不同观点的争论。 总结：多分子聚合下的生命演化 本章从量子角度，讲量子演变为生命的三个要素。大量的事实证明奇特的量子具有很多神奇的特性，这为生命的量子起源奠定了理论的基础。正是量子不同结构的交错，不仅仅诞生了宇宙的物质世界，也使生命得以实现。 本章以碳为标准模型，阐述了量子因为结构不同，而导致的量子向物质与生命向两个方向变化：一个是向无机物质方向演变，一个向有机生命方向进化，以碳骨架为基础的量子分别分别构成了碳与铁等分子合作的无机钢铁的物质世界，及碳与氢氧等分子合作的有机生命的世界。这就是宇宙的多层聚合作用，使不同的结构拥有了不同的宇宙性质表现与感知结构系统。 系统感知力与多量子协调能力是量子向生命演化的必要基础，因为只有物质在有整体感知、内部协调信息互通的情况下，才会导致生命细胞体内有机物的活力选择，出现内部能量分配与自我取向，导致细胞内部有机大分子的协调能力。 建立在客观量子纠缠基础上的物质的记忆特征是物质得以复制、按秩序自我组装的驱动力。 物质的自我组织性，是物质向生命演化的基本条件。而本章探索的量子这几种特性就是为了证明物质与生命来源的一体化来源于量子。 霍金在《大设计》中关于生命的思考虽然笼统，理论基础也有些苍白，但是无疑为物理学及生命学发展指出了方向。他认为由于万有引力等定律的存在，宇宙能够而且也必定是无中生有、自我创造，无须祈求上帝之手让宇宙运转，自我创造是宇宙、人类存在的原因。 而本书提出的“聚合而生的多层”宇宙模型，恰恰不仅仅解释了万物的形成，也同时解释了生命是多层宇宙中的一个层次。在这个新模型里从宏观到微观，从量子到物质、生命，都有一个简单有秩序的逻辑。