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神秘的量子生命 [英]吉姆·艾尔-哈利利约翰乔·麦克法登

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发表于 2021-11-18 20:33:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

正版 神秘的量子生命 浙江人民出版社[英]吉姆·艾尔-哈利利约翰乔·麦克法登 著侯新智 祝锦杰 译
6.jpg
基本信息
书名:部分套装等多本书籍默认单本价格如有需求请联系在线客服确认(不以图片为准)
定价:69.90元
作者英)吉姆·艾尔-哈利利 约翰乔·麦克法登 著译者:侯新智 祝锦杰
出版社:浙江人民出版社
出版日期:2016-07-01
ISBN:9787213075216
字数:291000
页码:365
版次:365
装帧:平装
开本:16开

编辑推荐

央视巨制科普节目《加油,向未来》特邀科学家、北京大学教授谢灿鼎力推荐!量子生物学奠基之作。
亚马逊最佳科学图书、《纽约时报》畅销书
《经济学人》《金融时报》年度好书
英国皇家学会温顿奖获奖图书

● 媲美薛定谔《生命是什么》,量子生物学奠基之作!
● 北京大学生命科学学院教授动物磁感应受体基因和“生物指南针”发现者倾情推荐。
● 亚马逊最佳科学图书、《纽约时报》畅销书;《经济学人》《金融时报》年度好书;英国皇家学会温顿奖获奖图书。

内容简介

● 在整个科学领域,量子力学是最具影响力的重要理论。没有量子力学,我们就无法解释世界是如何运转的,比如,知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的?小丑鱼是如何找到回家之路的?光合作用中能量的传递效率为什么那么高?对所有这些问题的解答,都离不开量子力学,离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。
● 酶促反应,光合作用,嗅觉,鸟类的磁感应,基因的复制,心智之谜,生命的起源,这种种现象都与神秘的量子世界有关。物理世界有三个层次,第一层是宏观世界,遵循牛顿运动力学法则,第二层次是热力学世界。遵循热力学法则。最深的第三层是量子世界。在这个维度里,原子、分子以及组成它们的所有成分粒子都遵循精确而有序的量子规则。
● 人造生命一定要遵循量子理论,因为没有量子力学,就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出来的,就是我还不理解的。”如果有一天,人造生命真的成为现实,那将意味着我们终于理解了生命的本质。我们将会看到生命正驾驭着混沌之力,在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上,乘风前行!

作者简介

吉姆·艾尔—哈利利
● 英国萨里大学物理学教授,最具影响力的量子生物学家。
● 1989年,在英国萨里大学获得核反应理论博士学位。
● 1992年,在英国工程和自然科学委员会的资助下,开始了为期五年的研究工作,他差不多每两个月就发表一篇论文,有些论文的引用次数超过500次。
● 从20世纪90年代末开始,研究领域转向量子生物学,“量子隧穿”是他的研究重点。1999年,他与生物学家约翰乔·麦克法登联合发表了量子生物学方面的论文。2012年,在英国工程和自然科学委员会的资助下,他与约翰乔·麦克法登共同主办了量子生物学研讨会,并获得极大成功。2015年,他以量子生物学为主题做了TED演讲。
● 2005—2007年,他参与拍摄BBC的纪录片《爱因斯坦大脑之谜》和《原子》,广受好评,他于2011年开始在BBC制作广播节目《生命科学》,每周吸引的听众数量高达200万。
约翰乔·麦克法登
● 英国萨里大学分子遗传学教授,著名量子生物学家。
● 1982年获得帝国理工学院生物化学博士学位。
● 发表科学论文超过100篇。

各方评论

读到《神秘的量子生命》书稿时,恰逢我在青海的旅途中,环顾四野,在茫然中辨识前路。想起年少时对候鸟迁徙的惊奇与困惑,想起我们这几年在寻找动物磁受体和生物导航机理研究中难于言说的彷徨和狂喜,书中描述的很多场景,和旅途中的一些思考在不停地重叠着,那种愉悦很难言表。这本书中的很多问题,同样是科学家们长久以来困惑和思考的问题。我想,包括我们在内的各领域的科学家正在一步步地逼近真相。《神秘的量子生命》将带我们从一个不常被人涉足的方向切入生物学的一些最基本的问题,用科学揭开自然的迷雾,告诉我们生物学背后的量子真相。翻开这本书,正如走进青藏高原:那种简单的美扑面而来!
谢灿
生命科学学院教授,动物磁感应受体基因和“生物指南针”发现者
《神秘的量子生命》对生命中的量子现象给出了最清晰的解释。量子世界中的微观事件,可以影响中等尺度生命体的世界,比如生活中的你、我、他。两位作者以活泼明晰的笔触告诉我们,神秘的量子现象无处不在。
菲利普·普尔曼
英国著名作家
畅销书“黑暗物质三部曲”作者
对于这样一个重要的新领域,作者的解读如此深入浅出、通俗易懂,真是太赞了!
安东尼·格雷林
英国著名哲学家
畅销书《维特根斯坦与哲学》《友谊》作者
《神秘的量子生命》是一本引人入胜、让人深思的惊世之作,它把坚实的科学理论、合理的推断和巧妙的推测紧密结合在一起,使得我们对生命世界的认识发生了革命性改变。
《华尔街日报》
一本地地道道的原创科普书,一个全新的研究领域,本书堪称了不起的作品。
《金融时报》
作者选择相干性这一复杂现象作为切入点,引领我们深入量子世界的神秘地带。他们用类比和比喻方法,把一些难于理解的概念解读得生动而又形象。
《经济学人》
物理学家艾尔-哈利利和生物学家麦克法登,把这样一个深奥的问题解读得既条理清晰又津津有味。
《自然》


目录

中文版序 踏上探索之旅,感受量子生物学的澎湃
引言 没有量子力学,就不会有生命/001
在整个科学领域,量子力学是最具影响力的重要理论。没有量子力学,我们就无法解释世界是如何运转的,比如,知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的?小丑鱼是如何找到回家之路的?光合作用中能量的传递效率为什么那么高?对所有这些问题的解答,都离不开量子力学,离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。
动物大迁徙
万物背后的量子真相
知更鸟是如何感知方向的
形形色色的量子现象
第一部分 生命科学的前世今生
01 生命是什么/029
在很长一段时间里,人们认为生命体与非生命体的主要区别在于,生命体内有一种特殊的“生命力”。后来,活力论渐渐让位于机械论。但是,生命中仍有许许多多的待解之谜。尽管克雷格·文特尔成就非凡,他仍不能从零开始创造出生命,而最低级的微生物却可以毫不费力地创造生命。薛定谔认为,生命是量子的,生命的秩序属于“来自有序的有序”。
活力论
机械论
量子生物学的兴起
生命是量子的
02 酶是生命的引擎/067
酶是生命的引擎。所有的生命都依赖酶。我们体内的每一个细胞中都填充着数百甚至数千个这样的分子机器,无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子,使之持续不停地运转下去。 这个过程,就是我们所说的“活着”。
生死有关的酶
一场精心编排的分子舞蹈
量子思维,认识酶的关键
来自量子世界的魔法
第二部分 量子世界中的生命
03 光合作用中的量子节拍/113
光合作用中能量从光子到反应中心的传递效率算得上是最高的,因为传递效率几乎是 100%。在 理想情况下,几乎所有叶绿素分子吸收的能量都可以到达反应中心。如果能量不是取道最短进行传递,大部分乃至全部能量都会在传递中殆尽。 光合作用的能量为何能如此擅长寻找捷径,一直以来都是生物学领域的一大谜题。
双缝实验,切中量子力学的内涵
脆弱的量子相干性
神奇的叶绿素
光合作用中的量子计算机
04 小丑鱼“闻出”回家之路/149
气味分子或溶解在唾液中,或飘散在空气中,被位于舌头或鼻腔顶部嗅觉上皮的感受器截获,嗅觉就此产生。“锁钥模型”认为,气味分子嵌入嗅觉感受器就如同钥匙插进了钥匙孔。气味与分子振动频率紧密相关,臭鸡蛋的味道是 78 太赫!对于振动频率相同而气味却大不相同的个别现 象,“刷卡模型”给出了完美解释。量子力学中 的非弹性电子隧穿,是嗅觉产生的关键。
我们是如何闻出味道的
形状模型,一把钥匙开一把锁
振动模型,臭鸡蛋味道是78太赫!
刷卡模型,嗅觉的量子计算
05 帝王蝶与知更鸟的地磁方向感/187
加拿大和墨西哥之间的帝王蝶以及北欧和北非之间的知更鸟,它们的迁徙究竟是依靠什么导航的呢?研究发现,触角中的隐花色素校准了体内的生物钟,让帝王蝶在从加拿大飞往墨西哥的路上不会迷路。知更鸟的地磁感受器是一种磁倾角罗盘,能通过化学反应感受微弱的地磁。自旋单和三重态之间微妙的平衡性,让鸟类可以利用地磁实现导航。
帝王蝶蝶迁徙之谜
知更鸟的指南针
量子自旋与幽灵般的超距作用
自由基和方向感
06 量子基因/221
DNA 复制的错误率往往小于十亿分之一,极高的复制精度,得以让生命一代一代传下去。但是,如果遗传密码的复制过程一直完美无缺,生命便不可能进化,也不能应对种种挑战。复制过程的少许错误,能让子代更好地适应环境并繁盛起来。 基因非常小,一定会受到量子规则的影响。但量子力学是否在基因突变中扮演了重要而直接的角色,还是一个待解之谜。
遗传,高精度的复制
突变,美丽的错误
基因编码
基因突变是量子跃迁吗
07 心智之谜/259
关于心智、意识究竟是如何工作的,目前被广泛 接受的理论是心智计算理论。如果一台量子计算机能够维持 300 个量子位的相干性和纠缠态,它的计算能力几乎相当于一台整个宇宙那么大的经典计算机!2011 年,我国科学家仅用 4 个以原子自旋状态作为编码的量子位就成功对 143 (13×11)完成了因数分解,居于世界领先水平。
意识是什么
思想是如何产生的
人脑就是量子计算机
微管理论
08 生命的起源/297
弗雷德·霍伊尔说过,随机化学过程创造出生命的概率,就像龙卷风吹过垃圾场,然后纯属意外地造出了一架大型客机。他的话生动形象地说明,我们今天所知的细胞生命体太过复杂有序,不可能起源于纯粹的偶然,在此之前一定有更简单的自复制体。量子相干性一定在生命起源中扮演了重要角色。
生命不是偶然的
RNA世界假说
没有量子力学,就不会有生命
量子相干性,生命起源中的重要角色
结语 我们一定能创造出遵循量子理论的新生命/323
人造生命一定要遵循量子理论,因为没有量子力学,就不会有生命。费曼说过:“凡是我做不出来的,就是我还不理解的。”如果有一天,人造生命真的成为现实,那将意味着我们终于理解了生命的本质。我们将会看到,生命正驾驭着混沌之力,在经典世界与量子世界之间狭窄的边缘上,乘风前行!
量子生物学的新发现
风暴边缘的生命
量子生物学的力量
理解生命,创造生命
后记:量子生命/361
译者后记/365

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 楼主| 发表于 2021-11-18 20:35:50 | 显示全部楼层
神秘的量子生命(一):生命是什么


活力论与机械论
古希腊的哲人们是探究生命问题的第一批人。他们认为,生物体与非生物体的区别就在于生物体内有一种特殊的生命“活力”,它控制和规定着生物的全部生命活动和特性,而不受自然规律的支配。“牛顿力学“提出后,人们开始认识到力与“能量”的概念密不可分。人们认为,不可见的力以能量波的形式在空间中传播或是利用“力场” (force field)发生作用。
机械论最初是在17世纪由法国哲学家勒内·笛卡儿提出的,他认为植物和动物的身体,包括人类在内,都不过是由传统材料制成的精密机械,由泵、齿轮、活塞和凸轮等机械装置提供动力, 而这些机械装置的动力与支配非生命体运动的力量相同。
生命科学新发现
细胞
在人类对生命精密结构的探寻中,第一次重大的进步来自17世纪的自然哲学家罗伯特·胡克 (Robert Hooke)与荷兰显微镜研究者安东·列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)。他们在显微镜的帮助下看到了细胞的结构。
随着科学进步,人们发现组成生命体的物质似乎与构成非生命体的化学物质是相同的,并因此遵循相同的化学规律,于是活力论渐渐让位于机械论。人们普遍相信,生命实际上不过是热力学的进一步拓展。
基因
1902年,美国遗传学家沃尔特·萨顿(Walter Sutton)发现,一种叫作“染色体”的细胞内结构遵循孟德尔式“因素”的遗传规律,他据此提出基因位于染色体上。
1943年,加拿大科学家奥斯瓦尔德·艾弗里(Oswald Avery)通过从供体细胞中提取DNA并注入受体细胞中,成功地将一组基因从一个细菌细胞转移到了另一个细菌细胞。这个实验说明,在染色体中携带所有关键遗传信息的物质是DNA。
1953年,詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)成功地设计出了一个能与从DNA中获得数据相匹配的结构模型:双螺旋结构。DNA结构的发现为解锁基因之谜提供了一把机械论的钥匙。
合成生物学
凡是我们做不出来的,就是我们还不理解的。
——理查德·费曼(Richard Feynman)
生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性。当化学家要生产一种氨基酸或糖类时,他们几乎总是一次只合成一种产品,通过精心地控制该制备实验的条件,比如温度和不同原料的浓度,来优化对目标化合物的合成。然而在人体内的每个活细胞中,在一个仅仅容纳着一微升液体的百万分之几的单一反应室内,同时合成着数以千计不同的物质。 这些不同的反应是如何同时发生的?
生命的另一个谜题是死亡。化学反应的一个特征是可逆性。“底物→产物”与“产物→底物”同时发生,只不过在一定的条件下,总有一个方向会倾向于占据主导地位。生命却迥然不同,还从没有人发现过能使下面的反应发生的条件:死细胞→活细胞。
合成生物学最著名的实践者克雷格·文特尔(Craig Venter)在2010年宣称自己创造出了人造生命。但文特尔不是完完全全地创造了一个新的生命,而是巧妙地诱导该活菌将自己原先那条单一的染色体替换成合成的DNA。 相比之下,我们每个人都能毫不费力地将食物中的惰性化学物质转化为自己身上鲜活的血肉。
量子力学,物理学的一场革命
“量子”概念的提出
传统观点认为,与其他形式的能量类似,热辐射在空间中以波的形式进行传播。然而波理论无法解释某些发热物体的能量辐射现象。20世纪初,普朗克提出了一种全新的观点:发热体表面的物质在以一定的离散频率振动,导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射,而且这些能量团不可以再分,普朗克称其为“量子”。
五年后,爱因斯坦拓展了普朗克的理论,并提出包括光在内的所有电磁辐射都是“量子化”的,而非连续的。以这种方式来思考“光”,能够解释一个长期以来困扰物理学家的现象——在高于特定频率的电磁波照射下,光可以将物质内部的电子激发出来,即“光电效应”。
玻尔的贡献
卢瑟福提出了著名的原子行星模型,认为原子的中心有一个极小而致密的原子核,周围环绕着更加微小的、在轨道中旋转的电子。根据传统的电磁理论,当绕着带正电的原子核旋转时, 带负电的电子会持续地释放光能。如果这样,电子会失去能量并很快朝着原子核螺旋向内移动,导致原子塌缩。但事实上,电子并没有发生这种情况。
为了解释原子的稳定性,玻尔提出,电子并不能自由地占据原子核外的任意轨道,而是只能占据某些固定的或量子化的轨道。电子只能从一个轨道跃迁到下一个较低的轨道,并释放与两个轨道的能级差完全相同的一团电磁能(一个光子),也就是量子。相应地,如果电子跃迁到一个更高的轨道上,就需要吸收一个具有相应能级差的光子的能量。
海森堡不确定性原理
海森堡认为,如果我们不是正在测量,那么我们将无法说出原子中电子的准确位置。不仅如此,由于电子以一种不可知的模糊方式运行,电子本身就没有一个确定的位置。海森堡从数 学上论证,要想设计单一的实验,按照我们的意愿同时测量一个电子的位置和其移动的速度是不可能的。这个概念被简要地概括为“海森堡不确定性原理”(Heisenberg Uncertainty Principle)。
薛定谔波动方程
薛定谔认为,电子并不是一个位置不可知的、模模糊糊的粒子,而是在原子内传播的波,只不过我们一观测,就会“塌缩”为一个离散的粒子。
定谔的原子理论后来成了波动力学(wave mechanics),而薛定谔方程也以描述原子内波的进化和运动而闻名。今天,我们认为海森堡与薛定谔的理论是对量子力学的两种不同的数学解读,在各自的视角下,他们都是正确的。
量子生物学的兴起
1932年约尔旦提出了“放大理论”(amplification theory)。他指出,非生命物体由数以百万计的大量粒的平均随机运动来控制,单一分子的运动对整个物体的影响微乎其微。但是他认为生命却大不相同,因为生命是由处于“控制中心”内的极少数分子来管理的,这些分子具有独裁式的影响力。影响关键分子运动的量子事件(比如海森堡不确定性原理)将被放大,对整个生命体产生影响。
来自有序的有序
让薛定谔萌生兴趣的是遗传过程的精确性。薛定谔知道,诸如热力学定律之类的经典物理学与化学规律,虽然精确可以重复验证,但实质上都是统计规律,背后是原子或分子的随机运动,只有在包含了极大量的粒子相互作用后,才是可靠的。
气球中气体遵循受热膨胀、遇冷收缩的规律。但事实上,气球里数以兆计的分子做着完全随机的运动。完全无序的运动是如何产生出秩序井然的定律的呢?当气球被加热时,气体分子运动加剧,使它们在互相碰撞或与气球内壁碰撞时的力量有了轻微的增加。额外的力对气球的弹性表面产生更多压力,使其扩张。气球有序运动来自极大量粒子的无序运动,用薛定谔的话说,产生了“来自无序的有序”(order from disorder )。
反观一个微观的气球,一个小到只填充有几个气体分子的气球:即使在恒温下,这几个分子也会间或地、完全随机地互相远离,使气球膨胀,同理,它们也偶尔会完全随机地向内运动,使气球收缩。一个极小气球的行为将变得不可预测。
经典物理学的所有统计规律都受制于这样的限制:对于由极大量粒子组成的物体来说,它们是 正确的,但它们却不能描述由少量粒子组成的物 体的行为。
薛定谔并不只是简单地认识到经典物理学的统计规律在微观层面并不适用,他更近一步量化 了精确性衰退的过程,计算出统计规律的离差与涉及粒子数量的平方根成反比。
他对基因复制进行了一番计算。单个基因的体积是边长不大于300埃的立方体,能够容纳大约100万个原子。按照经典的统计学规律推断出的遗传中的不精确性或“噪音 ”应该是0.1%。但是事实上基因的变异率小于1/10^9。这种非比寻常的高精度让薛定谔相信,遗传规律不可能建立在“来自无序的有序”的经典定律之上。相反,他认为基因更像是单个的原子或分子,符合另一科学领域的规律——量子力学领域。遗传应该基于一种新的原理,即“来自有序的有序”(order from order)。
生命是量子的
随机散布的粒子可以通过重新排列整齐来揭示其隐藏的量子性质,但这种重新排列通常只能 在特殊环境下进行,而且只能维持极短的时间。 比如,基于量子自旋,散布在我们体内随机自旋的氢原子核,可以排列整齐生成一个连续一致的核磁共振信号,但只有在一个由强力磁铁提供的极强磁场中,而且只有当磁力能够维持时才能实现:只要磁场一关闭,粒子又会在所有分子的冲撞中恢复随机排列,量子信号重新变得分散而难以探测。随机分子运动会干扰精心 排列的量子系统,这种现象被称为“退相干”(decoherence)。正是这种现象快速地抵消掉了宏观非生命物体奇特的量子效应。
只有当物体温度降到接近绝对零度——-273℃——随机分子运动才会完全静止,并使退相干现象消失,量子力学的作用才会显现出来。
但是,生命不同于非生命物体的不同之处在于,数量相对较少却高度有序的一些粒子,比如一个基因或是鸟类罗盘内部的那些粒子,能对整个生命体造成巨大的影响。这正是约尔旦所说的 “放大效应”,也是薛定谔所谓的“来自有序的有序 ”。

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