生物学可能不是量子化的，但其数学却是类量子的

# 生物学可能并非量子，但其数学却类量子 | Quanta杂志 来源：https://www.quantamagazine.org/biology-might-not-be-quantum-but-its-math-is-quantumlike-20260923/ 科学家们长期尝试——并失败了——将生物学与量子力学联系起来。它们之间真正的关联可能存在于数学之中。 二十年前，科学家们似乎即将以全新的量子方式理解生物学。 生命在令人难以想象的尺度上展开，一端是包裹我们星球的生物圈，另一端是构成细胞的生物分子。然而，即使在最微观的层面，生物学也并未真正触及量子领域——在那里，粒子表现如波，相互纠缠，并同时处于多种状态的叠加态。但量子生物学领域的研究人员正在寻找方法，让有机体或许能将量子特性推入与生命相关的时间、空间和温度领域，利用其奇异性质。 例如，在光合作用中，生物利用特殊的色素和蛋白质以近乎完美的量子效率捕获光能；它们将几乎每个入射的光子都转化为有用的化学能。2007年的新证据表明，生命可能通过利用一种称为相干性的量子效应来实现这一壮举。这一结果鼓舞了一种颇具争议的观点：尽管细胞是一个温暖、潮湿且毫无疑问属于经典环境的场所，它却能维持——甚至利用——脆弱的量子态。 普林斯顿大学的化学家格雷戈里·肖尔斯（https://chemistry.princeton.edu/faculty-research/faculty/gregory-scholes/）最初对这一结果感到振奋。他与同事对光合作用蛋白和色素进行了后续实验，并得出了类似的结论。但如今，肖尔斯怀疑量子效应在生命中扮演着角色。事实上，他确信量子生物学前进的方向可能根本不是量子。肖尔斯提出，生命可能并非利用真正的量子效应，而是在模仿它们。在过去的三年里，肖尔斯及其同事在几篇论文中证明，经典物体的复杂网络可以共同产生在数学上模拟量子对象的现象（https://royalsocietypublishing.org/rspa/article/480/2295/20240209/66744/Quantum-like-states-on-complex-synchronized）。 别被误导：这些网络产生的状态并非真正的量子态；它们只是“类量子”态。当许多相互作用的、振荡的部分加总成一个整体时，就会产生这种状态，其行为遵循与预测量子世界相同的数学规律。 “也许量子生物学在最大尺度上的意义，是利用35亿年的进化来弄清楚如何获得你本可以从量子系统中获得的功能性，”肖尔斯说。 维也纳量子光学与量子信息研究所的物理学家马库斯·穆勒（https://mpmueller.net/）表示，量子力学基础的研究人员几十年来一直在探索如何从经典角度重现量子世界的某些方面。穆勒说，肖尔斯的工作表明，类量子行为可以从相对普通且在自然界中大量存在的复杂网络中涌现出来。 北卡罗来纳州立大学的量子化学家萨布雷·凯斯（https://chemistry.sciences.ncsu.edu/people/sabre-kais/）正在为复杂系统开发量子计算算法，他说：“经典系统可以模拟量子信息的一些关键特征。这是一个令人兴奋的新方向。” ## **量子生物学的界限** 将生命的谜团重塑为量子性质的诱惑，几乎与量子力学本身一样古老。1929年的一次演讲中，量子先驱尼尔斯·玻尔模糊但诱人地指出，当时刚刚开始建立数学基础的量子力学，“或许在讨论生命有机体在我们世界图景中的地位时，具有决定性的重要性。” 玻尔的同时代人帕斯夸尔·乔丹用了几十年撰写关于*Quantenbiologie*（即量子生物学）的著作，认为生命具有独特的能力，能将量子世界中奇怪的不确定性放大到宏观尺度，并声称这是人类思维和自由意志的基础。遗传学家和进化生物学家J.B.S.霍尔丹在1934年的一篇论文中附和了乔丹的观点，认为放大量子不确定性的能力正是生命独特之处。（乔丹于1933年加入纳粹党及其准军事组织，试图将量子生物学与纳粹主义联系起来，损害了该领域的可信度。） 这些量子生物学的早期倡导者试图用量子尺度上违反直觉的物理定律来解释经典尺度上生命的谜题特性。一个经典粒子一次只能处于一个位置、一种方式；而一个量子粒子则弥散在其所有可能的位置和方式之上，形成一种可能性的波。这种弥散在数学上由波函数描述，它像经典波一样有波峰和波谷。 在粒子被观测之前，其所有可能的配置实际上同时存在。它们以叠加态叠加，就像重叠的水波或声波。就像重叠的波一样，叠加的量子态会相互叠加、相互抵消或相互转化。当叠加态中的量子态具有足够整洁的波特性，能够以这种方式相互影响时，它们被称为相干态。相干量子系统也可以相互纠缠，本质上融合成一个单一的、统一的实体，共享一个波函数。 量子态是脆弱的东西；当与外界发生碰撞时很容易被破坏。即使是极少量的环境噪声，如热引起的原子扰动，也会触发退相干，坍缩回经典行为。（量子计算机超冷运行不仅仅是为了好玩。）在细胞内部，退相干基本上是瞬时发生的——量子特性在这种环境中不应存活足够长的时间以对生物学产生任何影响。 诚然，即使在细胞内，像氢原子这样非常非常小的粒子也能“量子隧穿”，突然出现在原本会减慢它们速度或阻止它们穿越的能量障碍之外。有证据表明，某些酶中的隧穿（https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-biochem-051710-133623）可以解释其快速的反应速率。但肖尔斯说，这并非量子生物学家真正追求的东西。这种隧穿不涉及长寿的相干性。所涉及的量子特性是简单的、短暂的，而且有点不可避免——即使在一瓶死去的化学品中，一些微小的粒子也会穿越能量障碍。问题在于，生命能否做到死化学做不到的事情：将量子态保持在相干状态足够长的时间，将相干性本身作为资源来利用。 ## **光捕获的失望** 早在1930年代，科学家们就首次尝试用量子相干性来解释光合作用的非凡效率这一想法。 光合生物使用称为光捕获复合体的色素和蛋白质阵列来吸收光线。当光子击中其中一个复合体时，其电磁能被吸收，并将复合体中的一个电子提升到激发态。这种准粒子——称为激子——朝向反应中心移动，在那里被转化为可以执行光合作用关键步骤的化学能。 这个过程几乎是100%高效的：吸收的几乎每一个光子最终都驱动了光合作用。科学家们认为，如果激子在光捕获复合体中的多个分子间保持量子相干性，它们就能同时探索通往反应中心的多条路径，而不是杂乱无章地跳来跳去并可能迷失方向。 2007年，加州大学伯克利分校的格雷厄姆·弗莱明使用一种细菌的色素和蛋白质光捕获复合体测试了这个想法。他和他的同事用极快的激光脉冲泵浦这些色素和蛋白质以产生激子，然后用后续脉冲探测它们。这揭示出同步的“节拍”，当时似乎表明激子通过量子相干性相互干扰。包括肖尔斯在内的其他研究人员进行了类似实验，也发现了类似的节拍——甚至在室温下进行的实验中也是如此。 但就在量子生物学开始积聚势头时，它撞上了一堵墙。仔细检查后发现，弗莱明团队描述的那种节拍反映的不是量子相干性，而是分子键振动的共振。这种共振是一个有趣的效应，科学家们仍在研究，但它不是长寿、长程的量子相干性。 格拉斯哥大学的光生物学家理查德·科格德尔（https://www.gla.ac.uk/schools/molecularbiosciences/staff/richardcogdell/）说：“人们很失望。如果真的有什么东西存在，如果生物学有什么别人没有意识到的特殊之处，那会很令人兴奋。” 研究人员假设量子效应在许多生物现象中起作用——包括帮助鸟类导航的磁感应，以及更推测性的人类意识——但其经验证据的程度各不相同。但到目前为止，仍没有任何确凿的证据证明任何具有生物学功能的长寿量子相干性的存在。 肖尔斯逐渐怀疑，像相干性和纠缠这样的效应在生命中被放大是否真的可能。“正是那种放大带来了惊艳感。而真实的量子世界并不会那样放大，”他说。 在2023年12月的一次会议上，肖尔斯与同行讨论了推进该领域需要做些什么。他记得回到酒店房间后草草记下一个想法：也许量子生物学中的“量子”根本不是来自量子力学，而是从巨大复杂网络中的类波涟漪中涌现出来的。 “我现在确信你可以获得变革性的影响，但它们将来自经典系统对量子系统所能做的事情的模仿，”肖尔斯说。“如果你分不清区别，那重要吗？” ## **类量子态的世界** 肖尔斯想知道，像鸟群或鱼群这样的复杂网络中特殊同步状态的涌现，是否会产生类量子行为。 剥离量子态的物理意义，你剩下的数学对象是一个向量——一个有序的数字列表，它充当了可能性数学空间中的位置坐标。量子态在一种称为希尔伯特空间（https://www.quantamagazine.org/in-hilbert-space-all-things-are-quantumly-possible-20260826/）的特殊向量空间中表示。 希尔伯特空间中的向量遵循特定规则。其中一条规则是，任何两个状态都可以相加，其结果也将是一个有效的向量，一旦归一化，将产生一个有效的量子态。这在数学上就是量子叠加的核心。如果状态具有整洁的相位关系，允许它们相互干扰——根据它们的排列方式相加或抵消——那么它们就是相干的。希尔伯特空间中向量的坐标包含了与这种峰谷对齐（称为波的相位）相对应的信息。 瑞典林雪平大学的数学家安德烈·赫尼克夫在1990年代注意到量子干涉与经典世界之间的联系，当时他开始借用量子力学的数学来建模概率。他的想法本质上是，在神经科学和经济学等不同领域中，概率结果可以像叠加态中的量子态一样自我干涉。 2024年，肖尔斯找到了一种方法来设计振荡器的复杂网络，使其产生涌现态——稳定的行为同步模式，就像一群有节奏鼓掌的人群——这些状态可以在数学上被描述为希尔伯特空间中的向量。具体而言，他展示了如何构建网络，使其产生的涌现态在数学上模拟最简单的量子单位：量子比特，它有两个状态（如1或0），并且可以处于两者的叠加态中。 普渡大学的计算机科学家伊桑·迪基（https://www.cs.purdue.edu/homes/dickeye/）说：“这严格源自图的数学结构。如果你以某些并非不合理的特定方式构建图，它们恰好会出现这种非常漂亮、非常优雅的数学对象，模拟——或几乎接近——一个量子对象。” ## **重新定义量子生物学** 非常不同的物理学可以支撑相似的数学形式。飞棒的抛物线弧度和仙人掌刺尖的抛物线弧度都可以用二次方程来描述，但两者由不同的力塑造。因此，经典世界与量子世界之间的数学联系不应被误认为是物理联系。 关于生命中的量子效应，既有严肃的研究，也有异想天开的猜测，其历史相当复杂。渥太华大学的物理学家易卜拉欣·卡里米认为，研究人员应谨慎对待这个数学联系，不要过于看重。他称赞肖尔斯的新框架优雅，并表示它可能有用，但他认为量子词汇不应该出现在任何经典系统附近。干涉并非什么神秘或量子的东西，卡里米指出。它只是波行为的一个特征。 研究人员希望更好地理解经典系统何时以及如何能够模仿量子数学。这些知识可能有助于梳理关于生命中量子效应（包括大脑中）的争议性主张。 在那些热衷于将生命与量子领域联系起来的研究人员中，大脑一直是高度关注和激烈争论的焦点。例如，1989年，罗杰·彭罗斯复兴了关于量子物理学作为自由意志基础的旧观点；他提出意识源于大脑中蛋白质丝网络（称为微管）中的量子效应（https://www.quantamagazine.org/a-new-spin-on-the-quantum-brain-20161102/）。很少有神经科学家认真对待这一观点。 鉴于此，马克斯·普朗克学会恩斯特·斯特伦曼研究所的神经生理学家沃尔夫·辛格（https://brain.mpg.de/singer）最初在赫尼克夫邀请他参加一个关于类量子建模的研讨会时持怀疑态度。 辛格和同事在2025年证明，在一种特定的简单神经网络中引入振荡使其更高效、更稳健（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412830122）。辛格说，使用干涉本质上赋予了网络一个额外的维度：时间。这是因为振荡的相位编码了事件在时间上彼此结构的相对信息。研讨会后，辛格表示他“对以下事实印象深刻：一些现实世界的现象可能更好地使用量子物理学中使用的描述技术来描述。” 类量子态也为有意设计网络提供了一个概念蓝图——这些网络可以是任何东西，从电路到神经元再到通过弹簧耦合的物理摆——利用叠加和干涉进行计算。在后续工作中，肖尔斯和他的同事表明，有可能将类量子