咖啡

如果普朗克（Max Planck）沒有忽略一些錯誤的建議，他將永遠不會開啟一場革命。關鍵時刻發生在1878年，當時年輕的普朗克問他的教授菲利普是否該繼續從事物理相關工作？教授告訴他應該去找別的工作。教授向他的年輕學生保證物理學中所有重要的發現都已經完成了。普朗克回憶教授這樣告訴他：“ 這門科學中的一切都已經被研究了，只有一些不重要的空白需要被填補”，結果證明，把這些空白填了一下，最終為普朗克贏得了諾貝爾獎，並促成了量子力學的誕生。

事情涉及一個非常普通的現象：為什麼物體受熱時會發光呢？所有材料，不管什麼製成，都隨著溫度升高而表現相同：先變紅，再變黃，再變白。然而，在19世紀，沒有一個物理學家可以解釋這個看似簡單的過程。這問題被稱為紫外線災難，因為當時最佳的定理預測，加熱到很高溫度的物體應該發出無限的短波能量。我們知道強電流不會 將燈泡和烤麵包機變成會散發出死亡射線，因此19世紀的物理學顯然不是最終理論。

普朗克在1900年找到了答案，相當於現代駭客入侵。他提出猜想,能量只能在離散的數據包(後來稱為量子)中吸收或發射。它與所謂的經典物理學完全不同，後者認為能量以平滑連續的形式流動。當時，普朗克沒有任何理論依據，但事實證明它確實可行。他的量子有效地限制了加熱物體在任何溫度下都能釋放出能量。沒有更多的死亡射線。

於是開始了量子革命。愛因斯坦，海森堡，波耳和其他巨人花了數十年的白熾燈理論工作，才將普朗克的靈感轉化為完整的理論，但這一切都是因為沒人知道高溫時事物發生了什麼事。
由此產生的理論（量子力學）解釋了微觀世界中的粒子和能量，這與我們的日常經驗背道而馳，對於笨拙的哺乳動物感官而言，幾乎看不見量子。好吧，不是完全看不見的,一些量子效應在太陽光和恆星閃爍的情況下清晰可見，並且非常明顯，這在量子力學出現之前是無法完全解釋的。
我們在日常生活中可以體驗多少個量子世界？我們的感官可以收集什麼樣的訊息來了解現實的真實本質？正如理論本身的起源那樣，量子現象可能就在我們的鼻子裡。

當妳醒來聞到咖啡的味道時，或者當麵包機中麵包變成褐色時，妳的鼻子在幹什麼？對於這樣的感覺器官鼻子，知之甚少。建造世界上第一個核反應爐的費米（Enrico Fermi）他在炸洋蔥時對朋友說，了解我們的嗅覺是如何工作的，這是很好的。

因此，想像妳躺在床上，有人在費力地做了一些臭豆腐。來自不知名的分子在空中飄動。呼吸時會將這些分子中的一些吸入到鼻腔。這些分子黏在鼻腔表面的一層黏液上，內含嗅覺神經元。嗅覺神經元像水母的觸角一樣懸掛在大腦中，是不斷暴露於外界的唯一中樞神經系統。

接下來發生的事情還不清楚。我們知道這些分子與嗅覺神經元表面的400種不同受體結合。我們不完全知道這種接觸如何產生我們的嗅覺。為什麼嗅覺很難理解？

倫敦帝國理工學院的材料科學家安德魯說：“在某種程度上，很難建立實驗來探究鼻子的嗅覺感受器內部的情況。”

關於氣味如何起作用的通常解釋似乎很簡單：受體接受非常特定形狀的分子。它們就像鎖，只能通過右鍵才能打開。根據這種模型，從妳的咖啡杯中逸出的每個分子都適合妳鼻子中的一組特定受體。大腦將受結合分子的特定受體解釋為咖啡的氣味。換句話說，我們聞到了分子的形狀。

但是鎖鑰匙模型存在一個基本問題：“你可以擁有形狀和組成截然不同的分子，它們都給你相同的氣味感覺，”霍斯菲爾德說。似乎除了形狀以外，還必然牽涉到一些東西“

鎖和鑰匙模型的替代方案表示，我們的嗅覺不僅源自分子的形狀，還源自這些分子振動的方式。所有分子根據其結構不斷以不同的速度振動。我們的鼻子能以某種方式檢測到那些振動頻率的差異嗎？生物醫學科學研究中心的生物物理學家盧卡·都靈（Luca Turin）相信可以做到。

盧卡也恰好也是世界領先的香水專家之一，受到化學家戴森（Malcolm Dyson）於1938年首次提出的振動氣味理論的啟發。在1990年代盧卡首次意識到戴森的想法後，他開始尋找能夠讓他檢驗的理論。他碰到了具有獨特氣味和特徵分子振動的硫化合物。盧卡後來需要鑑定一種不相關的化合物-一種分子形狀與硫不同但振動頻率相同的化合物-以查看它是否會聞起來像硫的氣味。最終，他發現了一個含有硼的分子。當然，它散發出硫的味道。他說：“當時恍然大悟，我想，這不可能是巧合。 ”

從那時刻開始，盧卡與霍斯菲爾德（Horsfield）合作，一直在收集實驗證據來支持這一想法。五年前，當盧卡及其同事設計了一個實驗，用麝香香氣中的一些氫分子替換為氘-各種含有額外中子的氫-他們發現人們可以聞到這種差異。由於氫和氘具有相同的形狀但振動頻率不同，因此結果再次表明我們的鼻子確實可以檢測到振動。

盧卡的想法仍有爭議-他的實驗數據使嗅覺研究者意見分歧。但是，如果他是對的，並且除了形狀，我們還會聞到振動的氣味，我們的鼻子如何處理這一壯舉？盧卡推測可能涉及稱為量子穿隧的量子效應。

在量子力學中，電子和所有其他粒子具有雙重性質。每個粒子既是粒子又是波。有時，這會使電子散佈並通過材料傳播或穿隧，這是古典物理學所禁止的。氣味分子的分子振動可能會提供正確的能量躍遷，這是電子從氣味接收器的一部分傳輸到另一部分所需的能量。穿隧速率會隨著分子的變化而變化，從而觸發神經衝動，從而產生對大腦中不同氣味的感知。

那麼，隱藏在我們鼻子裡的可能是一台精密的電子探測器。我們的鼻子怎麼會進化利用這種怪異的量子？盧卡說：“我認為我們低估了生命的技術等級。” “四十億年的研發資金是無限的。而且我不認為這是生活中最神奇的事情。”

好的，所以妳正在倒咖啡，幾乎沒睡。妳的眼皮正準備進入白天模式，眨眼，讓少量的光線從窗戶照進來。當妳喝咖啡時，請思考一下：溫暖著妳的臉並進入你的眼睛的光，是一百萬年前起源於太陽中心的！大約也是人類剛起源的時候。要不是因為量子穿隧,太陽甚至不會發出那些名為光子的粒子。太陽和地球相距約9300萬英里，光子僅需8分鐘即可到達地球。但是它們的大部分旅程都發生在太陽內部，典型的光子在太陽裡要花一百萬年才能逃脫與妳相遇。物質緊緊地堆積在恆星的中心-氫的密度大約是鉛的13倍-以至於光子在被氫離子吸收之前只能經過極短的幾分之一秒，然後被氫離子吸收。經過約十億億次這樣的相互作用，一個光子終於從太陽表面逃脫出現。

如果不是量子穿隧，光子永遠不會誕生，太陽也不會發光。太陽和所有其他恆星通過核融合產生光，將氫離子粉碎在一起形成氦，氦釋放出能量。太陽每秒將約400萬噸的物質轉化為能量。但是氫離子，單個質子，具有正電荷，可以自然排斥融合。那麼它們怎麼可能融合？借助量子穿隧，質子的波動性質使得它們可以如此微小地重疊，就像漣漪在池塘表面融合一樣。這種重疊使質子波足夠接近，以至於另一種力-僅在極小的距離處產生的強核力-可以克服粒子的電排斥。質子融合併並釋放單個光子。

我們的眼睛已經演化為對這些光子非常敏感。最近一些實驗顯示，我們甚至可以檢測單個光子，這提出了一種有趣的可能性：人類可以用來測試量子力學的某些奇怪特徵嗎？也就是說，一個人（如薛丁格的不幸的貓，同時死又生）是否可以直接與量子世界互動？這樣的經歷會是什麼樣？

“我們不知道，因為沒有人嘗試過。”物理學家麗貝卡說。三年前，當她在伊利諾伊大學讀研究生時，其Holmes團隊顯示人們可以檢測到僅由三個光子組成的短脈衝。2016年，由洛克菲勒大學物理學家Alipasha Vaziri領導的一組研究人員發現，人類確實可以看到單個光子。但是，可能無法準確地描述體驗。自己嘗試了光子閃爍的瓦茲（Vaziri）對《自然》雜誌說：  “這不像看到光。在想像的門檻上，這幾乎是一種感覺。”

現在回到那杯咖啡。杯子感覺堅固，固體物質牢固地與妳的手部皮膚接觸。但這是一種幻想：至少在兩塊堅實的物質碰在一起的意義上，我們從來沒有真正接觸過任何東西。超過99.9999999999％的原子由空白空間組成，幾乎所有原子的質量都集中在原子核中。

當妳用手對杯子施加壓力時，表面的堅固性來自杯子電子的阻力。電子本身根本沒有任何體積-它們只是短暫的零維度負電荷，像雲一般的機率圍繞著原子和分子。量子力學定律將它們限制在原子和分子周圍的特定能階。當妳的手抓住杯子時，它將迫使電子從一個階移動到另一階，這需要來自手部肌肉的能量，大腦將其解釋為接觸實體。

因此，我們的觸覺源自於圍繞人體分子的電子與遇到的物體的電子之間極其複雜的相互作用。根據這些訊息，大腦會產生一種幻覺，即我們擁有在遍布其他固體物體的世界中移動的固體。觸摸不能給我們準確的現實感。可能是我們的看法都與實際情況不符。認知神經科學家霍夫曼（Donald Hoffman）認為，我們的感官和大腦進化為隱藏 現實的真實本質，而不是為了揭示現實。

他說：“我的想法是，無論現實如何，現實都太複雜了，將花費我們太多的時間和精力來進行處理。”

霍夫曼將我們大腦的世界構想比作計算機螢幕上的圖形界面。螢幕上所有的彩色圖案-垃圾桶，鼠標指針，文件夾-與電腦內部的實際情況完全不相似。它們是抽象，簡化，使我們能夠與復雜的電子設備進行交互。

在霍夫曼看來，進化已使我們的大腦以幾乎相同的方式運作，因為它的圖形界面無法以任何形式的忠實再現世界。進化不利於發展準確的觀念。它獎勵那些提高生存能力的人。或者像霍夫曼所說的那樣，“健身勝過真理”。

霍夫曼和他的研究生近年來已經運行了成千上萬的電腦模型來檢驗他的想法。在模擬中，人造生命形式爭奪有限的資源。在每種情況下，被編程為強調健身的生物都要勝過為準確感知的各種生物。例如，如果一個生物被調整以準確感知,例如環境中存在的水總量，那麼它將輸給一個經過調整以感知更簡單的生物：維持生命所需的最佳水量。

因此，儘管一個有機體可以構建更精確的現實表示，但是這種表示並不能提高其生存能力。霍夫曼的研究使他得出了一個非凡的結論：“就我們適應健身的程度而言，我們不會適應現實。你不能兩者都做。”

他的觀點與一些物理學家認為是量子理論的中心訊息相吻合：現實並非完全客觀—我們無法將自己與觀察到的世界分開。霍夫曼完全擁護這種觀點。他說：“空間只是一種數據結構，物理對象本身也是我們動態創建的數據結構。當我看那邊的小山時，我創建了該數據結構。然後我移開視線，因為我不再需要它了，所以我已經廢棄了該數據結構。”

正如霍夫曼的研究表明的那樣，我們還沒有完全掌握量子理論的全部涵義及其對現實本質的看法。普朗克自己一生都在努力地理解他所提出的理論，並且始終相信客觀存在於我們之外的客觀世界。他曾經寫過一篇關於他為什麼決定在他的導師的建議下進入物理學的文章：“外部世界是一種獨立於人的事物，是一種絕對的事物，對該絕對定律的追求在我看來是最崇高的科學。” 也許要再過一個世紀，再進行一次革命，才能證明他是對的，還是像馮·喬利教授一樣犯錯。

參考文獻:

Tim Folger, How Quantum Mechanics Lets Us See, Smell and Touch