知更鸟是如何感知方向的

上面所有这些量子世界的奇异现象与知更鸟依靠自身导航跨越半球的航行有什么关系呢？对了，你应该还记得维尔奇科夫妇在20世纪70年代早期的研究：知更鸟的地磁觉与磁倾角罗盘的工作原理相同。这让人极其迷惑，因为那个时候，没有任何人对生物磁倾角罗盘的工作原理有头绪。

然而，大约在同一时期，一位叫克劳斯·舒尔滕（Klaus Schulten）的德国科学家对自由基（free radical）相关的化学反应中电子的转移方式产生了兴趣。他发现，大多数电子在原子轨道中成对出现，而分子的外层轨道却有孤电子存在。联系到奇怪的量子自旋性质，这个发现就显得重要起来。因为，配对的电子向相反的方向自旋，它们的合自旋也就抵消为零。但是，如果没有配对电子可以抵消自旋，自由基中的孤电子就会产生净自旋，并拥有磁性：在磁场中就可以统一排列它们的自旋。

舒尔滕提出，在高速三重态反应（fast triplet reaction）中会产生成对的自由基，而自由基中对应的成对孤电子会处于“量子纠缠”（quantum entanglement）的状态。由于某些难以理解的原因（后文会介绍），被分开的两个电子处于微妙的量子状态，对任何外部的磁场方向极度敏感。舒尔滕进一步认为，谜一般的鸟类罗盘可能使用了量子纠缠的机理。

量子纠缠

quantum entanglement

指曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎幽灵般的联系。

行文至此，我们还未事先解释量子纠缠，这是因为这可能是量子力学中最奇异的性质了。量子纠缠是指，曾经在一起的粒子，无论分开多么遥远的距离，都能保持瞬时的、近乎魔法般的联系。比如，曾经相距很近的两个粒子被分开很远很远，就算分到宇宙的两边，至少在理论上讲，它们仍然能够相互联系。实际上，刺激一个粒子，会让它远在天边的伙伴同时跃起。[7]

据量子力学先驱们的展示，量子纠缠能很好地符合他们列出的方程式，但由于其造成的影响太不可思议了，以至于伟大如提出黑洞和时空弯曲的爱因斯坦，也拒绝接受它，嘲笑量子纠缠不过是“远距离的幽灵作用”。这种“远距离的幽灵作用”也确实激起了“量子神秘主义者们”的兴趣，让他们做出了关于量子纠缠的夸大陈述，比如，认为量子纠缠可以解释诸如心灵感应等超自然现象。

爱因斯坦持怀疑态度，是因为量子纠缠违背了他的相对论，而相对论认为没有任何影响和信号能在空间中以比光更快的速度传播。按照爱因斯坦的理论，相距遥远的粒子不应该拥有幽灵般的同步联结。但就此事而言，爱因斯坦错了：现在，我们已经通过实证发现，量子粒子确实有远距离的瞬时联系。但即便这样，为了防止你胡思乱想，必须要澄清一下，量子纠缠并不能被用来证实心灵感应的存在。

在20世纪70年代早期，如果有谁认为量子纠缠这种奇特性质参与了普通化学反应，人们就会觉得他在异想天开。在那时，许多科学家支持爱因斯坦，他们怀疑处于纠缠态的粒子是否真的存在，毕竟还从未有人发现过这样的粒子。但在那之后的几十年间，许多实验室设计了巧妙的实验，证实了这种幽灵般的联结，其中最著名的要数早在1982年由阿兰·阿斯拜克特（Alain Aspect）领导的一组法国科学家在南巴黎大学进行的实验。(www.daowen.com)

阿斯拜克特的团队让成对的光子（光的粒子）处在了纠缠偏振状态。偏光太阳镜可能让我们对偏振光已经很熟悉了。每一个光子都有其方向性和偏振的角度，与我们之前介绍的自旋性质很相似。[8]阳光中的光子包含所有的偏振方向，而偏振太阳镜会过滤掉这些光子，只允许某个特定偏振角度的光子通过。阿斯拜克特生成了成对的光子，不仅偏振方向不同（比如一个向上一个向下），而且互相纠缠。正如之前那个舞伴的比喻，这两个光子中的任意一个，并不是真的朝此或是彼方向偏振，而是同时既向此又向彼方向偏振，接下来就要测量它们了。

测量是量子力学中最不可思议也是最有争议的地方。它与一个你一定已经想到的问题有关：为什么我们看到的所有物体不会像量子粒子一样完成这些怪异而又神奇的事情呢？答案是，在微观的量子世界中，粒子们之所以能够表现得如此奇特（比如同时做两件事、能穿墙而过、拥有幽灵般的联结），是因为没有人在看。一旦用某些方法去观察或是测量它们，它们就会失去这些特异性，表现得像我们周围随处可见的那些经典的普通物体一样了。

当然，这只会带来另一个问题：测量究竟有什么特别之处，能让量子粒子从量子行为变成了符合经典物理学的行为？[9]这个问题的答案对本书的故事很重要，因为测量正处于量子世界与经典世界的边界上，可能你从本书的英文书名中也猜到了一二，生命也处在这个地方，即处于量子的边缘。

对量子测量的探索将会贯穿全书，而我们也希望你能逐渐掌握探索过程中难以理解的微妙之处。现在，我们将仅仅考虑对此现象最简单的理解，姑且认为用科学的工具测量一个量子性质，使得被测量的目标瞬间失去了自己的各种量子能力，而展现出一种传统的经典物理学性质，比如测量光的偏振状态时，光子失去同时指向各个方向的能力，而仅仅指向单一的方向。因此，当阿斯拜克特用观察光是否可以穿过特定的偏光镜的方法测量任意一对互相纠缠的光子其中之一的偏振态时，该光子瞬间失去了和它同伴之间幽灵般的联系，并采取了单一的偏振方向。而无论这对光子离得多远，它的同伴也会瞬间变得和它一样。至少，量子力学的方程式是这样预测的，也正是这一点让爱因斯坦心神不宁。

阿斯拜克特和他的团队在实验室中进行了一个著名的实验：一对光子被分开数米远，这个距离已经足够。因为相对论告诉我们，没有什么会比光的传播速度更快，所以即使在两个光子之间施加一个以光速传播的影响，也不能影响它们偏振的角度。但是，测量结果表明，这对光子的偏振方向是相关的：当其中一个光子向上偏振时，与其成对的另一个光子会向下偏振。

自1982年起，这个实验被重复多次，更有甚者，将成对的两个光子分开数百公里之远，而分开的光子总能表现出这种让爱因斯坦无法接受的幽灵般的纠缠联系。

在舒尔滕提出鸟类罗盘使用了量子纠缠的机理之后很多年，阿斯拜克特才做了这个实验，而在舒尔滕的时代，量子纠缠现象还颇具争议。而且，舒尔滕并不知道如此模糊的化学反应如何能让知更鸟“看见”地球的磁场。此处，我们说“看见”是因为维尔奇科夫妇的另一大发现。虽然知更鸟在夜间迁徙，但是要激活其体内的磁性罗盘需要少量的光（大约在可见光谱中偏蓝的一端），这就暗示着知更鸟的眼睛在其体内罗盘的运转中扮演着重要的角色。但是，除了视觉之外，知更鸟的眼睛又是如何向其提供磁感觉的呢？不管是否掌握舒尔滕的自由基配对原理，这都是一个十足的谜题。

“鸟类罗盘中用到了量子力学的理论”这一认识在科学的角落中搁置了20余年。舒尔滕后来去了美国，在伊利诺伊大学香槟分校建立起了非常成功的理论化学物理小组。但他从来没有忘记他那稀奇古怪的理论，并持续地撰写修改了一篇相关的论文，该文列举出一些可能的生物分子（活细胞中产生的分子），而这些生物分子可能会产生完成高速三重态反应必不可少的自由基。但是没有一种生物分子能够满足条件：它们不是不能产生自由基对，就是在知更鸟的眼睛里不存在。直到1998年，舒尔滕在一篇论文中了解到，在动物的眼中发现了一种神秘的光感受器，叫作隐花色素（cryptochrome）。这立刻激起了他的科研直觉，因为隐花色素是一种已知的可能会产生自由基对的蛋白质。

一位名叫索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）的博士生后来加入舒尔滕的小组，里茨颇具天赋。在法兰克福大学读本科时，里茨听过舒尔滕关于鸟类罗盘的演讲，并对此着了迷。当出现机会时，他就跳槽到舒尔滕的实验室读博士，最初的研究课题是光合作用。当知道了隐花色素的事情后，他又转去研究磁感应。2000年，里茨与舒尔滕合著了题为《鸟类基于光感受器的磁感应模型》的论文，描述了隐花色素如何能在鸟的眼睛中创造一个量子罗盘（在第5章中，我们还要更加详细地讨论这个问题）。

四年后，里茨与维尔奇科夫妇组成小组，共同进行了一项关于知更鸟的研究，为“鸟类利用量子纠缠来进行环球导航”的理论提供了第一份实验证据。这一切似乎证明，舒尔滕一直是对的。他们2004年的论文，在《自然》上一经发表就引起了广泛的关注，鸟类的量子罗盘也立刻成为量子生物学——这门新兴科学的典型代表。