沒有量子力學，就不會有生命
溫馨提示·春節後發貨
選自《神秘的量子生命》
作者:（英）吉姆·艾爾－哈利利 約翰喬·麥克法登 著
譯者：侯新智 祝錦傑
出版社：浙江人民出版社
在整個科學領域，量子力學是最具影響力的重要理論。沒有量子力學，我們就無法解釋世界是如何運轉的，比如：知更鳥長途遷徙時是如何通過微弱的地球磁場感知方向的？小丑魚是如何找到回家之路的？光合作用中能量的傳遞效率為什麼那麼高？對所有這些問題的解答，都離不開量子力學，離不開量子隧穿、量子相干性和量子糾纏。
今年冬天，歐洲寒冷的天氣比往年來得更早一些，夜晚的空氣中透著刺骨的嚴寒。在一隻年輕知更鳥的腦海深處，一個曾經模糊的信念正在變得清晰而強烈。
在過去的幾周里，這隻知更鳥吞食了大量的昆蟲、蜘蛛、蠕蟲和漿果，遠遠超過了它的正常食量。現在，它的體重幾乎有八月份時的兩倍了。那時，它生育的一窩幼雛在學會飛翔後剛剛離巢。這隻知更鳥多餘的體重絕大部分以脂肪的形式儲存，在它即將啟程的艱苦旅途中，它需要這些脂肪作為飛行的燃料。
這將是它第一次離開瑞典中部的這片雲杉林遷徙去南方。在這片土地上，它度過了自己短暫的前半生。幾個月前，也是在這片土地上，它生產並撫育了自己年幼的孩子們。它其實還算幸運，因為去年的冬天並不是一個寒冬，而那時的它羽翼未豐，不夠強壯，並不能踏上這樣漫長的征程。因為直到來年春天它才會再次承擔為人父母的責任，現在它需要考慮的只有自己，所以，它準備逃離即將來臨的寒冬，一路向南，去享受南方更加溫暖的氣候。
距日落已近兩個小時了，它並沒有鑽進愛巢準備過夜，而是在夜色中跳到了一棵大樹靠近主幹的枝頭上。從春天開始，它就已經把家安在了這棵樹上。它快速地抖動一下全身，就像一個馬拉松運動員在賽跑前放鬆自己的肌肉。它橙色的胸脯在月光下閃閃發亮。幾尺開外就是它的愛巢，半遮半掩地藏在長滿苔蘚的樹榦後面。為了築建這個家所付出的艱辛努力和悉心照料，此刻都變成了朦朦朧朧的回憶。
它並不是唯一一隻準備啟程的鳥。其他的知更鳥，無論是雄性還是雌性，都已經確定，今晚就是它們應該開始漫長南遷之旅的日子。在四周的樹林中，漸次響起了知更鳥高亢而尖銳的鳴唱，將其他林棲夜行動物發出的聲響壓了下去，彷彿它們感覺有必要向林中其他的棲居者們宣布自己的離開，並警告自己的鄰居，在它們離家期間，想侵入它們的領地和鳥巢要三思而行。因為，這些知更鳥絕大部分都會在來年春天回到這裡。
它快速地把頭向一側傾斜又歪向另一側，以保證身體的靈活，緊接著猛然衝進了夜空。隨著冬天的迫近，夜越來越長，在下次休息前，它可能要一口氣飛上10個小時或是更長時間。
它是朝著195°的方向出發的，也就是南偏西15°。在未來的幾天，它差不多會一直朝著這個方向飛行，順利的話，一天能飛上320公里。它不知道旅途上會發生什麼，也不知道旅途會有多長。雲杉林附近的地形它還算熟悉，但飛出幾公里後，月光下的景色就是陌生的湖泊、山谷和小鎮了。
雖然它並不是要去一個特定的地方，但它的目的地大約是在地中海邊上的某處。當發現一處環境宜人的地方時，它就會停下來，記好附近的地標，好在往後的幾年中再回到那裡。如果力氣足夠，它甚至會一口氣飛越地中海，到達北非的海濱。不過，這才是它的第一次南遷，當務之急是逃離斯堪的納維亞半島刺骨的寒冬，所以它或許不會飛那麼遠。
它似乎沒有察覺到，周圍的知更鳥們也在朝著大致相同的方向飛行，有些之前甚至已經南遷過多次了。它的夜視能力極佳，但並沒有像我們在長途旅行中那樣尋覓任何地標，它也沒有像其他夜間遷徙的鳥類一樣，通過追蹤晴朗夜空中星星的位置並對照頭腦中的星圖來確定方向。相反，數百萬年的進化讓它獲得一項不同凡響的能力，來幫助它完成每年秋天大約3 000公里的例行遷徙。
動物大遷徒
遷徙，在動物王國中是一件平淡無奇的事情。比如，每年冬天，鮭魚都會在歐洲北部的河流和湖泊中產卵，卵孵化成幼小的魚苗，順著河道流入大海，在北大西洋中發育成熟，三年後，這些年輕的鮭魚溯流而上，重新回到它們孵化的河流與湖泊中去交配繁衍。帝王蝶會在秋天遷徙數千公里，向南穿過整個美國。它們或者它們的後代（它們會在遷徙途中繁衍後代）又會向北回遷，回到當初自己的先輩化蛹的同一片樹林。在南大西洋阿森松島（Ascension Island）海灘上孵化的綠海龜在海洋中遊了數千公里後，每三年會回到那個它們當初出生的撒滿蛋殼的沙灘上去產卵繁殖。這樣的故事還有很多：許多候鳥、鯨魚、北美馴鹿、多刺龍蝦、蛙類、蠑螈，甚至是蜜蜂都有能力進行足以讓最偉大的人類探險家都感覺困難的長途跋涉。
幾個世紀以來，這些動物如何在環球遷徙中找到自己的方向一直是一個謎。現在我們知道，它們各有神通：有些動物會在日間利用太陽、在夜間利用恆星的相對位置來導航；有些動物會記憶地標；有些動物甚至能聞到它們在這個星球上該走的路。但導航能力最不可思議的要數知更鳥：它們能感知到地球磁場的方向與強度。這種能力被稱為磁感應（magnetoreception）。雖然現在我們知道有一些其他生物也擁有這項能力，但我們最感興趣的還是知更鳥在跨越大半個地球的旅程中是如何找到自己的方向的。
讓知更鳥知道該飛多遠、朝哪個方向飛的機理，其實已經編碼在它們從父母那裡繼承來的基因之中了。這是一種複雜而又不同尋常的能力，讓它能依靠這種第六感來確定自己的航向。像許多其他的鳥類一樣（甚至還包括一些昆蟲和海洋生物），知更鳥擁有感知地球微弱磁場的能力，並能依靠內在的導航直覺，從地磁場中得出方向性的信息。就知更鳥而言，它的導航直覺需要一種新式的化學羅盤作為指引。
磁感應真是個謎題。問題的關鍵在於地球的磁場非常微弱。地表的磁場在30～70微特斯拉之間，這一數值雖然足以使一個處於微妙平衡中且幾乎沒有阻力的羅盤指針偏轉，但它只有一個普通冰箱貼磁力的1%。這就出現了使人困惑的謎題：動物要想感知到地磁場，其體內某處的一個化學反應必然在某種程度上要受到地磁場的影響——這是包括我們在內的所有生物感知外界信號的方式。但是，地磁場與活體細胞內的分子相互作用所產生的能量還不及使一個化學鍵形成或斷裂所需能量的1/109。那麼，知更鳥究竟是如何感知到地磁場的呢？
【量子】
quantum
發熱體表面的物質在以一定的離散頻率振動，導致熱能只能通過微小而離散的能量團進行輻射，而且這些能量團不可以再分，被稱為「量子」。
這樣的謎題無論多麼微不足道都足以令人著迷，因為這些謎題的答案可能將我們對世界的認識引向一種根本性轉變的新方向。比如，16世紀時，哥白尼曾深思托勒密地心說模型中一個相對次要的幾何關係問題，這最終讓他發現我們人類並不是整個宇宙的中心。達爾文痴迷於研究動物物種的地理分布與孤立小島上雀類喙的異化之謎，最後他基於此提出了著名的進化論。德國物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）關心物體熱輻射的問題，他開始追尋黑體輻射之謎的解答，因此發現能量以名為「量子」（quantum）的離散團塊傳遞，並最終在1900年引導了量子理論的誕生。那麼，對於「鳥兒們如何在跨越半球的遷徙中找到方向」的解答是否也能掀起一場生物學革命呢？雖然有點出人意料，但答案是肯定的。
但是，像這樣的謎題，也會讓偽科學家與神秘主義者們魂牽夢繞。正如牛津大學的化學家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）在1976年所說：「磁場對化學反應的影響——這一研究一直是冒充內行的騙子們嬉鬧的領域。」事實也的確如此，各種古怪的解釋都在某種程度上被當作候鳥遷徙時確定路線的機理。比如，心靈感應、古老的「靈線」（ley lines，連接不同考古或地理標誌性地點的隱形線路，被認為擁有精神能量）、由「超心理學家」魯珀特·謝爾德雷克（Rupert Sheldrake）發明的飽受爭議的「形態共振」（morphic resonance）理論，不一而足。因此，阿特金斯在20世紀70年代的看法也就變得可以理解，那反映了當時在大多數科學家中流行的對「動物可能有能力感知到地球磁場」的想法所持的懷疑主義態度。似乎沒有任何分子機理能夠允許動物擁有感應磁場的能力，至少在傳統的生物化學領域，這樣的機理並不存在。
但就在彼得·阿特金斯表達了他的懷疑論的同一年，一對住在法蘭克福的德國鳥類學家伉儷沃爾夫岡·維爾奇科與羅斯維塔·維爾奇科（Wolfgang and Roswitha Wiltschko）在世界最頂尖的學術雜誌《科學》上發表了一篇突破性的論文，毋庸置疑地說明知更鳥確實能夠感知到地球磁場。更令人驚奇的是，他們發現這些鳥兒們的感知能力與普通指南針的工作原理似乎並不相同。因為，指南針能夠測量出從地磁北極到地磁南極的磁場差異，而知更鳥只能夠判斷出地極到赤道的磁場差異。
要理解指南針是如何工作的，我們需要先了解一下磁場線。磁場線是確定磁場方向的無形軌道。放在磁場中任意位置後，羅盤指針會自動與磁場線平行對齊。在一塊條形磁鐵上放一張紙，上面撒上鐵屑，鐵屑自動排列形成的模式，就是最常見的磁場線的形式。現在，請想像整個地球是一個巨大的條形磁鐵，其磁場線從地球的南極發出，向外輻射，彎曲成環，最終匯入北極（見圖0-1）。
[圖片]圖0-1 地球磁場
在兩極附近，這些磁場線的方向幾乎是垂直傳入或傳出地面的，但是，越接近赤道，這些磁場線就越平而且越接近與地表平行。因此，我們把一種測量磁場線與地球表面夾角的羅盤稱為「磁傾角羅盤」（inclination compass），該羅盤能夠區分朝向地極與朝向赤道的方向。但這種羅盤並不能區分南北極，因為磁場線在地球的兩個半球都會與地面產生相同的夾角。維爾奇科夫婦在1976年的研究中發現，知更鳥的磁感知能力正像這種磁傾角羅盤。可問題在於，當時沒有人對這種生物磁傾角羅盤的工作原理有任何頭緒。因為，在那個時候，人們完全無法想像，也沒有已知的原理可以解釋動物如何能在自己體內測出磁場線與地面的夾角。答案原來藏在當代最令人震驚的科學領域之中，其原理與量子力學的奇異理論有扯不斷的關係。
萬物背後的量子真相
假如今天在科學家中間進行一項民意調查，問他們什麼是整個科學領域最成功、影響最深遠、最重要的理論，答案可能會取決於你所問的科學家是在非生物科學領域還是生物科學領域。絕大多數生物學家認為達爾文的自然選擇進化論是人類有史以來最意義深遠的理論，而一個物理學家則更傾向於認為量子力學理論才應該佔據科學中的首要位置，因為量子力學構築了大部分現代物理學與化學的基石，揭示了宇宙的基本構成單位，並向人類展現了一幅非凡的宇宙全景。確實，如果沒有量子力學的解釋，我們目前對世界如何運轉的大部分看法都不能成立。
幾乎每個人都聽說過「量子力學」，不過，認為「量子力學是一門艱深而難以理解的科學，只有極小部分非常聰明的人能夠理解它」的想法一直很普遍。但事實是，從20世紀早期開始，量子力學就已經成了我們所有人生活的一部分。量子力學在20世紀20年代中期發展為一種解釋極小世界（現稱微觀世界）的數學理論。原子構成了我們眼睛所見的一切事物，而量子力學描述了原子的行為以及構成這些原子的更小粒子的性質。比如，通過描述電子運動所遵循的規則以及電子在原子內部如何安排自己的行為，量子力學奠定了整個化學、材料科學甚至電子學的基礎。不僅如此，過去半個世紀中大多數技術進步都以量子力學的數學規則為核心。
如果沒有量子力學對電子如何在材料中穿梭的解釋，我們就無法理解半導體的行為；而半導體又是現代電子學的基礎，如果沒有對半導體的理解，我們就無法發明出硅晶體管，以及後來的微晶元及現代計算機。這樣的例子不勝枚舉：沒有量子力學對我們知識的提升，就不會有激光，也就沒有CD、DVD或是藍光影碟播放器；沒有量子力學，我們就不會有智能手機、衛星導航或是核磁共振成像掃描儀。事實上，有估計稱，如果沒有我們對量子世界中力學原理的理解，發達國家超過1/3的國內生產總值將無法實現。
這才僅僅是個開始。在有生之年，我們十有八九會見證一個量子時代到來。那個時候，人類可以從激光碟機動的核聚變中獲得近於無限的電能；分子級別的人造機器會在工程、生化及醫藥領域幫助人類完成大量的任務；量子計算機將開始提供人工智慧；從前只在科幻作品中出現的遠距傳物技術將很有可能成為信息傳遞的常規方式。發端於20世紀的量子革命將在21世紀持續加速，以不可想像的方式改變我們的生活。
但是，量子力學究竟是什麼呢？對這個問題的探索將是貫穿本書的線索。對於初次接觸量子力學的嘗鮮者，此處我們以幾例量子力學對生活潛移默化的影響為開始，向你展現這些真相如何塑造了我們的生活。
|奇特的波粒二象性
第一個例子表現的是量子世界中最奇特的特徵，也可以說是量子世界的決定性特徵：波粒二象性。
我們已經熟悉了世界的構成，知道自己周圍的所有物體都是由許許多多微小而離散的粒子構成的，比如原子、電子、質子和中子。你可能也知道，能量（比如聲或光）以波的形式傳播，而非粒子。波會向外擴散，而不是像粒子那樣向四周移動；波在空間穿過，會像大海里的波濤一樣，形成波峰和波谷。20世紀早期，科學家發現亞原子粒子可以像波一樣運動，而光波具有粒子的性質。量子力學正是在那個時候誕生的。
雖然波粒二象性不是什麼你每天都需要考慮的事情，但它構成了許多非常重要機械的基礎，比如電子顯微鏡。電子顯微鏡讓醫生和科學家能夠看見、分辨並研究用傳統光學顯微鏡看不見的極微小物體，比如艾滋病毒和普通流感病毒。「電子具有波的性質」這一發現直接催生了電子顯微鏡的發明。
德國科學家馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）發現，因為電子產生的波長（指任一波中連續兩個波峰或波谷之間的距離）比可見光的波長要短得多，因此基於電子成像的顯微鏡會比普通的光學顯微鏡捕捉到更多的細節。這是因為，當波遇到任何微小的物體後，如果這一物體的三維比波的波長要短，那麼這個物體將不會影響和改變波的傳播，就像波長几米的海浪衝擊著沙灘上的鵝卵石一樣。你需要更短的波長，比如那種在學校的科學實驗課上常見的水槽里的漣漪，才能在遇到鵝卵石後產生反射和衍射，使我們最終「看見」這個鵝卵石。因此，克諾爾和魯斯卡在1931年製造了世界上第一台電子顯微鏡，並用它拍下了世界上第一張病毒的照片。恩斯特·魯斯卡因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。這個獎頒得或許有些遲了，因為克諾爾在多年前已經逝世（1969年），而魯斯卡在得獎兩年後也離開了人世。
|量子遂穿，「穿牆而過」的粒子
第二個例子將更加重要。你知道太陽為什麼會發光嗎？
大多數人可能知道太陽本質上是一個核聚變反應堆，消耗氫來釋放熱量和陽光，而陽光維持了地球上的所有生命。但是，很少有人知道，如果沒有那讓粒子「穿牆而過」的奇異量子性質，太陽根本不會發光。太陽（或者說宇宙中的所有恆星）之所以能夠放射如此大量的能量，是因為氫原子的原子核（也就是帶有一個單位正電荷的質子）能夠聚變，並以我們稱為陽光的電磁輻射釋放能量。兩個氫原子核要想聚變，就需要靠得非常近，但兩者靠得越近，相互間的排斥力就越大，因為它們各攜帶一個正電荷，而同種電荷互相排斥。
事實上，如果要讓兩個質子靠近到足以聚變，那麼兩個質子必須要有能力穿越一堵亞原子尺度的「磚牆」：一個明顯不可穿透的能量壁壘。經典物理學——構建在牛頓定律之上，能夠很好地描述日常生活中球體、彈簧、蒸汽引擎，甚至是天體的受力和運動——認為這樣的穿越不可能發生。換句話說，因為粒子不可能穿牆而過，所以太陽也不應該發光。
但是原子核這一類遵循量子力學原理的粒子卻暗藏玄機：它們通過一種被稱為「量子隧穿」（quantum tunneling）的過程，可以輕鬆地穿透上述的壁壘。從本質上講，是它們的波粒二象性使它們能夠完成隧穿。正如海浪可以繞過物體（比如沙灘上的卵石）傳播一樣，波也可以繞過物體傳播（比如聲波可以穿透牆壁，讓你聽到鄰居家的電視聲）。當然，作為聲波的介質，空氣並沒有真正地穿透牆壁：空氣中的振動，也就是聲音，使你和鄰居共用的牆壁發生振動，而此振動又推動你房間中的空氣，將相同的聲波傳入你的耳中。但原子核卻不一樣，如果你能像原子核一樣行動，那麼有時候，你真的能夠像幽靈一般直接穿過堅實的壁壘。太陽內部的氫原子核所做的正是如此：它能讓自己傳播出來，像幽靈一樣穿透能量壁壘，使自己與牆另一邊的夥伴靠得足夠近來完成聚變反應。因此，當你下一次在沙灘上曬太陽時，不妨看看拍打著沙灘的海浪，想一想量子粒子像幽靈一樣波動，這種波動不僅能夠讓你享受溫暖的陽光，也使得我們星球上所有的生命成為可能。
|疊加態：華爾茲與爵士共舞
第三個例子與前面的例子也相關，但展現了量子世界不同甚至更加奇怪的特徵：一種被稱為「疊加態」（superposition）的現象。
疊加態現象指粒子可以同時完成兩件、100件甚至100萬件事情。這個性質可以解釋我們的宇宙為什麼如此複雜而有趣。在大爆炸之後，宇宙誕生，彼時的空間中充斥著單一的原子，即以最簡單的形式存在的氫原子——由一個帶正電荷的質子和一個帶負電荷的電子構成。那是一個相當單調的世界，沒有恆星或是行星，當然，也不會有任何生命。因為，包括我們自己在內，構成我們周圍一切事物的「基本單位」，都是比氫原子更為複雜的物質，比如像碳、氧、鐵這樣更重的元素。幸運的是，在充滿氫的恆星內部，可以利用氫的另一種形態來生成這些更重的元素。氫的這種更重的形態叫作氘或重氫。而氘原子之所以能存在，多少要歸功於量子的魔法。
如前所述，合成的第一步是兩個氫原子核，也就是質子，通過量子隧穿效應靠
得足夠近時，釋放一些能量。正是這些能量變成的陽光溫暖著我們的星球。第二步，兩個質子必須結合在一起，這個過程並不容易，因為兩個質子間的作用並不能提供足夠的黏合力。所有的原子核其實由兩種粒子構成：質子和電中性的中子。如果原子核中某一種粒子太多，量子力學的原理就認為原子核內的平衡會重新調整，部分多餘的粒子會轉變為另一種粒子：質子變成中子或是中子變成質子。這種轉變的過程被稱為β衰變（beta-decay）。兩個質子結合時所發生的事情正是如此：兩個質子不能共存，其中之一會β衰變為中子。剩餘的質子與新生成的中子會結合形成一種新的物質氘核（氫的同位素[注釋]氘的原子核），之後，氘核會進一步發生核反應，合成更加複雜的、重於氫的原子核，從氦（兩個質子加一個或兩個中子）到碳、氮、氧，以此類推。
此處的重點在於，氘核的存在歸功於其能同時以兩種狀態出現的能力，而這種能力恰是量子疊加態的體現。這是因為，由於自旋方式的不同，質子和中子能以兩種不同的方式結合。我們隨後將詳細考察「量子自旋」（quantum spin）的概念與我們所熟悉的宏觀物體（如網球）的旋轉究竟有何不同，而現在，我們將暫時跟隨自己對自旋粒子的直覺，把氘核內質子和中子的共同旋轉，想像成一場精心編排的「舞蹈」，而這舞蹈結合了「緩慢親密的華爾茲」與「節奏稍快的爵士」兩種特點。早在20世紀30年代晚期，科學家就發現，氘核內部的這兩種粒子並不是以這一種或那一種形式在共舞，而是同時以兩種狀態在舞蹈——它們同時跳著「華爾茲」和「爵士」——而正是這種舞蹈形式，將它們緊密結合在了一起。
看了上文，你可能不禁要問：「你們是怎麼知道的？」是的，原子核太小了，遠非肉眼所能看見，那麼，為了更合情理，我們是不是該假設自己對「核力」的理解還不夠完善呢？答案是否定的。上文的結論已經在多個實驗室被反覆證明：如果質子和中子以「量子華爾茲」或「量子爵士」的任意一種形式結合，兩者間的核「黏合力」都不足以強到使兩者結合在一起；只有兩者互相疊加時，也就是兩種狀態同時存在時，黏合力才足夠強。我們可以將這兩種狀態的疊加想像為兩種顏料的混合（如藍色和黃色，混合後會形成一種新的顏色——綠色），雖然你知道綠色是由最初的兩種顏色混合而成的，但它既不是藍色也不是黃色。不同比例的藍色和黃色混合，也能創造出不同色調的綠色。同樣地，質子和中子能夠結合為氘核，是因為它們的舞蹈大部分是「華爾茲」，但同時也混合著一小部分「爵士」。
因此，如果粒子們不能同時共舞「華爾茲」和「爵士」，那麼我們的宇宙到現在還是一鍋氫氣粥，除了氫氣外別無他物——沒有發光的恆星，沒有其他元素，你也不會在這兒讀這些文字了。我們能夠存在，是因為質子和中子以反直覺的量子方式存在著。
|核磁共振的秘密
我們的最後一個例子要把大家帶回到技術世界中。量子世界的性質不僅可以用來觀察像病毒一樣微小的事物，也可以用來觀察我們的身體內部。核磁共振成像是一種醫療掃描技術，能夠造出細節極其豐富的軟組織圖像。核磁共振成像通常被用來診斷疾病，特別是探測內部器官上的腫瘤。大多數介紹核磁共振成像掃描儀的通俗說明都沒有提到，其實此項技術依賴於量子世界奇特的運轉原理。核磁共振成像掃描儀使用磁力強勁的大型磁鐵將病人體內氫原子核的自旋軸排列整齊。之後，這些原子被放射波脈衝刺激，迫使排列整齊的原子核以奇特的量子狀態存在，同時向兩個方向自旋。試著將這個過程視覺化對理解它並沒有什麼作用，因為目前它離我
們的日常生活還很遙遠。重點在於當這些原子核重新回到最初的狀態（即它們還未接受能量脈衝的刺激而進入量子疊加態）時，它們會把之前接受的能量釋放出來。核磁共振成像掃描儀上的電子儀器將收集這些能量，並以此為患者體內的器官造影，生成細節豐富的圖像。
因此，如果你有機會躺在一台核磁共振成像掃描儀里，或許還一邊聽著耳機里的音樂[注釋]，不妨花一小會兒時間想想亞原子粒子反直覺的量子行為，因為正是這種行為讓核磁共振成像技術成為可能。
知更鳥是如何感知方向的
上面所有這些量子世界的奇異現象與知更鳥依靠自身導航跨越半球的航行有什麼關係呢？對了，你應該還記得維爾奇科夫婦在20世紀70年代早期的研究：知更鳥的地磁覺與磁傾角羅盤的工作原理相同。這讓人極其迷惑，因為那個時候，沒有任何人對生物磁傾角羅盤的工作原理有頭緒。
然而，大約在同一時期，一位叫克勞斯·舒爾滕（Klaus Schulten）的德國科學家對自由基（free radical）相關的化學反應中電子的轉移方式產生了興趣。他發現，大多數電子在原子軌道中成對出現，而分子的外層軌道卻有孤電子存在。聯繫到奇怪的量子自旋性質，這個發現就顯得重要起來。因為，配對的電子向相反的方向自旋，它們的合自旋也就抵消為零。但是，如果沒有配對電子可以抵消自旋，自由基中的孤電子就會產生凈自旋，並擁有磁性：在磁場中就可以統一排列它們的自旋。
舒爾滕提出，在高速三重態反應（fast triplet reaction）中會產生成對的自由基，而自由基中對應的成對孤電子會處於「量子糾纏」（quantum entanglement）的狀態。由於某些難以理解的原因（後文會介紹），被分開的兩個電子處於微妙的量子狀態，對任何外部的磁場方向極度敏感。舒爾滕進一步認為，謎一般的鳥類羅盤可能使用了量子糾纏的機理。
【量子糾纏】
quantum entanglement
指曾經在一起的粒子，無論分開多麼遙遠的距離，都能保持瞬時的、近乎幽靈般的聯繫。
行文至此，我們還未事先解釋量子糾纏，這是因為這可能是量子力學中最奇異的性質了。量子糾纏是指，曾經在一起的粒子，無論分開多麼遙遠的距離，都能保持瞬時的、近乎魔法般的聯繫。比如，曾經相距很近的兩個粒子被分開很遠很遠，就算分到宇宙的兩邊，至少在理論上講，它們仍然能夠相互聯繫。實際上，刺激一個粒子，會讓它遠在天邊的夥伴同時躍起。
據量子力學先驅們的展示，量子糾纏能很好地符合他們列出的方程式，但由於其造成的影響太不可思議了，以至於偉大如提出黑洞和時空彎曲的愛因斯坦，也拒絕接受它，嘲笑量子糾纏不過是「遠距離的幽靈作用」。這種「遠距離的幽靈作用」也確實激起了「量子神秘主義者們」的興趣，讓他們做出了關於量子糾纏的誇大陳述，比如，認為量子糾纏可以解釋諸如心靈感應等超自然現象。
愛因斯坦持懷疑態度，是因為量子糾纏違背了他的相對論，而相對論認為沒有任何影響和信號能在空間中以比光更快的速度傳播。按照愛因斯坦的理論，相距遙遠的粒子不應該擁有幽靈般的同步聯結。但就此事而言，愛因斯坦錯了：現在，我們已經通過實證發現，量子粒子確實有遠距離的瞬時聯繫。但即便這樣，為了防止你胡思亂想，必須要澄清一下，量子糾纏並不能被用來證實心靈感應的存在。
在20世紀70年代早期，如果有誰認為量子糾纏這種奇特性質參與了普通化學反應，人們就會覺得他在異想天開。在那時，許多科學家支持愛因斯坦，他們懷疑處於糾纏態的粒子是否真的存在，畢竟還從未有人發現過這樣的粒子。但在那之後的幾十年間，許多實驗室設計了巧妙的實驗，證實了這種幽靈般的聯結，其中最著名的要數早在1982年由阿蘭·阿斯拜克特（Alain Aspect）領導的一組法國科學家在南巴黎大學進行的實驗。
阿斯拜克特的團隊讓成對的光子（光的粒子）處在了糾纏偏振狀態。偏光太陽鏡可能讓我們對偏振光已經很熟悉了。每一個光子都有其方向性和偏振的角度，與我們之前介紹的自旋性質很相似。[注釋]陽光中的光子包含所有的偏振方向，而偏振太陽鏡會過濾掉這些光子，只允許某個特定偏振角度的光子通過。阿斯拜克特生成了成對的光子，不僅偏振方向不同（比如一個向上一個向下），而且互相糾纏。正如之前那個舞伴的比喻，這兩個光子中的任意一個，並不是真的朝此或是彼方向偏振，而是同時既向此又向彼方向偏振，接下來就要測量它們了。
測量是量子力學中最不可思議也是最有爭議的地方。它與一個你一定已經想到的問題有關：為什麼我們看到的所有物體不會像量子粒子一樣完成這些怪異而又神奇的事情呢？答案是，在微觀的量子世界中，粒子們之所以能夠表現得如此奇特（比如同時做兩件事、能穿牆而過、擁有幽靈般的聯結），是因為沒有人在看。一旦用某些方法去觀察或是測量它們，它們就會失去這些特異性，表現得像我們周圍隨處可見的那些經典的普通物體一樣了。
當然，這隻會帶來另一個問題：測量究竟有什麼特別之處，能讓量子粒子從量子行為變成了符合經典物理學的行為？[9]這個問題的答案對本書的故事很重要，因為測量正處於量子世界與經典世界的邊界上，可能你從本書的英文書名中也猜到了一二，生命也處在這個地方，即處於量子的邊緣。
對量子測量的探索將會貫穿全書，而我們也希望你能逐漸掌握探索過程中難以理解的微妙之處。現在，我們將僅僅考慮對此現象最簡單的理解，姑且認為用科學的工具測量一個量子性質，使得被測量的目標瞬間失去了自己的各種量子能力，而展現出一種傳統的經典物理學性質，比如測量光的偏振狀態時，光子失去同時指向各個方向的能力，而僅僅指向單一的方向。因此，當阿斯拜克特用觀察光是否可以穿過特定的偏光鏡的方法測量任意一對互相糾纏的光子其中之一的偏振態時，該光子瞬間失去了和它同伴之間幽靈般的聯繫，並採取了單一的偏振方向。而無論這對光子離得多遠，它的同伴也會瞬間變得和它一樣。至少，量子力學的方程式是這樣預測的，也正是這一點讓愛因斯坦心神不寧。
阿斯拜克特和他的團隊在實驗室中進行了一個著名的實驗：一對光子被分開數米遠，這個距離已經足夠。因為相對論告訴我們，沒有什麼會比光的傳播速度更快，所以即使在兩個光子之間施加一個以光速傳播的影響，也不能影響它們偏振的角度。但是，測量結果表明，這對光子的偏振方向是相關的：當其中一個光子向上偏振時，與其成對的另一個光子會向下偏振。
自1982年起，這個實驗被重複多次，更有甚者，將成對的兩個光子分開數百公里之遠，而分開的光子總能表現出這種讓愛因斯坦無法接受的幽靈般的糾纏聯繫。
在舒爾滕提出鳥類羅盤使用了量子糾纏的機理之後很多年，阿斯拜克特才做了這個實驗，而在舒爾滕的時代，量子糾纏現象還頗具爭議。而且，舒爾滕並不知道如此模糊的化學反應如何能讓知更鳥「看見」地球的磁場。此處，我們說「看見」是因為維爾奇科夫婦的另一大發現。雖然知更鳥在夜間遷徙，但是要激活其體內的磁性羅盤需要少量的光（大約在可見光譜中偏藍的一端），這就暗示著知更鳥的眼睛在其體內羅盤的運轉中扮演著重要的角色。但是，除了視覺之外，知更鳥的眼睛又是如何向其提供磁感覺的呢？不管是否掌握舒爾滕的自由基配對原理，這都是一個十足的謎題。
「鳥類羅盤中用到了量子力學的理論」這一認識在科學的角落中擱置了20餘年。舒爾滕後來去了美國，在伊利諾伊大學香檳分校建立起了非常成功的理論化學物理小組。但他從來沒有忘記他那稀奇古怪的理論，並持續地撰寫修改了一篇相關的論文，該文列舉出一些可能的生物分子（活細胞中產生的分子），而這些生物分子可能會產生完成高速三重態反應必不可少的自由基。但是沒有一種生物分子能夠滿足條件：它們不是不能產生自由基對，就是在知更鳥的眼睛裡不存在。直到1998年，舒爾滕在一篇論文中了解到，在動物的眼中發現了一種神秘的光感受器，叫作隱花色素（cryptochrome）。這立刻激起了他的科研直覺，因為隱花色素是一種已知的可能會產生自由基對的蛋白質。
一位名叫索斯藤·里茨（Thorsten Ritz）的博士生後來加入舒爾滕的小組，里茨頗具天賦。在法蘭克福大學讀本科時，里茨聽過舒爾滕關於鳥類羅盤的演講，並對此著了迷。當出現機會時，他就跳槽到舒爾滕的實驗室讀博士，最初的研究課題是光合作用。當知道了隱花色素的事情後，他又轉去研究磁感應。2000年，里茨與舒爾滕合著了題為《鳥類基於光感受器的磁感應模型》的論文，描述了隱花色素如何能在鳥的眼睛中創造一個量子羅盤（在第5章中，我們還要更加詳細地討論這個問題）。
四年後，里茨與維爾奇科夫婦組成小組，共同進行了一項關於知更鳥的研究，為「鳥類利用量子糾纏來進行環球導航」的理論提供了第一份實驗證據。這一切似乎證明，舒爾滕一直是對的。他們2004年的論文，在《自然》上一經發表就引起了廣泛的關注，鳥類的量子羅盤也立刻成為量子生物學——這門新興科學的典型代表。
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