自然选择的量子特性


S Lloyd在最近的一期《Nature Physics》上写了一篇评述《A quantum of natural selection》。我读完后觉得这是一篇极好的文章。把其中的要点给大家介绍一下。

量子力学给了自然选择丰厚的礼物。主要有五件礼物:稳定性,可数性,信息,信息处理和随机性。在Lloyd眼中,自然选择包括从宇宙大爆炸到现在世界变化 的整个过程。正是有了量子性,我们的原子才是稳定的。正是因为观察宇宙的是分立的粒子,我们才可对这些粒子的构成,性质进行分析,因为它们是可数的。量子 系统中,两种正交的状态构成一个比特。量子比特,由于量子相干性,其可能状态是指数递增的。DNA分子中包含6×109 个比特,而它可能处于的状态是26×10^9个。这是一个天文数字,要知道宇宙粒子总数只有2300个。 信息处理包括把1变成0或者其它逻辑操作。在自然界中,每次两种物质通过化学反应生成第三种物质,就算一个信息处理过程。对DNA分子的信息处理更加复 杂,但是基本原理是类似的。随机性,这种特性人们一般认为是坏的,但是对量子力学来说,天然存在。正是有了随机性,才有了生物多样性。

人们一般以为量子特性只能在实验室低温情况下存在。因为高温会带来极快的退相干。 但是2007年人们在某种大分子中也发现了量子特性。这种大分子是一种细菌用于完成光合作用的。实验是在几十开尔文下做的。但是人们相信在室温下这种量子拍特性仍旧会存在(译注:2009年已经证实),理论计算表明量子传输效率在290开尔文下达到最大。这种量子特性完美的解释了为什么光合作用时能量传输效率超过99%。从经典的统计物理是无法解释这一现像的。

最后,作者对物理基本定律也做了一点评述。我们所知的物理定律也可能是自然选择出来的。Lee Smolin提出宇宙可能有很多个,从婴儿宇宙慢慢发展到我们这个成熟的宇宙。这些婴儿宇宙很类似,但也有小的差别。在这个过程中,有一些宇宙会被自然选 择出来,因为它们的物理定律支持生命,而其它表兄弟宇宙不支持。或者通过景观(landscape)理论,应该存在10500 个不同的物理定律,都可能用于构造我们现在的这个宇宙。量子力学本身也是这些可能的物理定律之一。它之所以被自然选择出来,原因很简单,正如我们所见,它为生命出现提供了如此之多的条件。

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