施一公：量子纠缠被实验证实，颠覆了人类90%的认知

施一公，中国科学院院士、结构生物学家、原清华大学教授。1967年5月5日出生于河南郑州，1989年毕业于清华大学，1995年在美国约翰霍普金斯大学获博士学位。2015年9月，中科院院士施一公出任清华大学副校长。2018年4月16日，施一公当选西湖大学首任校长。

本文为施一公在「未来论坛」年会上发表题为《生命科学认知的极限》的演讲。

一个生物学家面对生命之谜不懈追问

今天，我想跟大家探讨一下生命的本质和生命的极限。

我们先看看人从哪而来？

人的整个出生过程是这样的：一个精子在卵子表面不停地游逛，寻找一个入口，找到合适位点以后，会分泌一些酶，然后钻进去。卵子很聪明，一般不会让第二个精子再有机会，所以一有精子进来，马上把入口封死。

精子进来后就被降解，然后精子的细胞核和卵子的细胞核结合，形成双倍体，受精卵开始发育，逐渐分裂为2个细胞、再分裂为4个细胞、8个细胞、16个细胞，此时受精卵还在子宫外面游逛，还没有着床。

继续分裂下去，形成64个细胞、128个细胞，这时它快要找到着床地点了。着床之后，继续发育。

你们可能知道也可能不知道，短短四个礼拜，胎儿开始有心跳。慢慢地，神经管形成了，脊椎形成了，四肢开始发育，通过细胞凋亡，开始形成手指头。到四五个月的时候，胎儿开始在母亲肚子里踢腾。出生之前，胎儿的大脑发育非常快，各种神经突触迅速形成。然而不要忘了，这样一个鲜活的生命来自于一个受精卵。



生命开始之后，生命的历程很漫长，这里面有很多苦恼。我记得我看过一首打油诗是这样说的：

0岁闪亮登场，10岁茁壮成长，
20岁为情彷徨，30岁拼命打闯，
40岁基本定向，50岁回头望望，
60岁告老还乡，70岁搓搓麻将，
80岁晒晒太阳，90岁躺在床上，
100岁挂在墙上。

科学如何应对生命挑战

我们生命的历程饱受挑战，有很多来自于疾病，其中三类疾病和人类有很大关系。

1、 其中心血管疾病是最重要的杀手，仅在中国每年就有303万人死于心血管疾病，占32%。

2 、第二种疾病也很可怕，就是癌症，我们身边的人常常被癌症夺去生命，中国每年有265万人死于癌症，占28%。

3 、第三类疾病死亡率不高，但是对人的困扰很大，严重影响生活质量，就是神经退行性疾病，有多位世界名人都曾受这类疾病的折磨。

此外还有34%的人死于其他原因，其中大部分是传染病，一小部分是交通事故和意外伤害。

我今天想告诉大家的是：

我们如何运用科学去接受生命的挑战。



在古代，我们在黑暗中摸索，比如说当代的屠呦呦为找到治疗疟疾的方法，就是看了古典药学得到灵感，导致了青蒿素的发现。后来弗莱明发现青霉素，已经是用科学的方法论来探索。1985年以后，由于戈尔茨坦和布朗发现了低密度脂肪颗粒的受体(LDL受体)，开启了真正的征服心血管疾病的历程。

人类始终用科学在应对挑战，从简单的摸索和经验积累，到最后通过基础研究驱使药物的发现。

认知生命有极限

不要说我们对老年痴呆症的病因不清楚，对大脑这样一个神秘的器官我们也知之甚少，我们基本上可以说什么都不知道。尽管我们有很好的学习记忆的模型，我们可以模拟出学习记忆的过程，但究竟是不是这样?我们真的不知道。

我甚至认为包括我们的电信号记录的神经冲动电位，只是一个表象，不一定是学习记忆的本质。为什么?因为我们确实是这样一个生物人，是一堆原子构成的人在理解生命。

我们在用我们的五官，就是视觉、嗅觉、听觉、味觉、触觉理解这个世界。这个过程是不是客观的呢，肯定不是客观的。

我们的五官感受世界以后，把信息全部集中到大脑，但是我们不知道大脑是如何工作的，所以在这方面也不能叫客观。

我们人究竟是什么呢?仔细想一想，人是怎么样处理信息的呢?我们先来对信息也就是物质做一个定义。



我们有三个层面的物质：

1、 第一个物质是宏观的，就是我们可以感知到的，直觉可以看到的东西，比如人是一个物质，房子也是一个物质，天安门、故宫都是物质。

2、第二个层面是微观的，包括眼睛看不到的东西也叫微观，我们可以借助仪器感知到、测量到，从直觉上认为它存在，比如说原子、分子、蛋白，比如说很远的一百亿光年以外的星球。

3、 第三个层面，就是超微观的物质。对这一类，我们只能理论推测，用实验验证，但是从来不知道它是什么，包括量子，包括光子。尽管知道粒子可以有自旋和能级、能量，但是我们真的很难通过直觉理解，这就是超微观世界。

但尽管如此，我们还是要想一想，这个世界是超微观世界决定微观世界，微观世界决定宏观世界。我们人是什么?人就是宏观世界里的一个个体，所以我们的本质一定是由微观世界决定，再由超微观世界决定。

我毫不怀疑我就是一个薛定谔方程、一个生命形式、一个能量形式，但不知道怎么解这个方程，不知道思维是怎么产生的，仅此而已。我相信，你也应该相信，我们每个人不仅是一堆原子，而是一堆粒子构成的。



所以，我们真的就是一堆由粒子构成的原子，如此之简单。我们有多少原子?大约有6×10^27个原子，形成大约60种不同的元素，但真正的比较多的元素，不过区区11种。

原子通过共价键形成分子，分子聚在一起形成分子聚集体，然后形成小的细胞器、细胞、组织、器官，最后形成一个整体。但是你会觉得，不管你怎么做研究，都无法解释人的意识，这超越了我们能说出和能感知的层面。我认为要解释意识，一定得超出前两个层次，到量子力学层面去考察。我自己认为是这样的。

量子纠缠是可以进化的现象吗?

所以我想班门弄斧讲一讲量子纠缠。1935年，当爱因斯坦(Einstein)和波多尔斯基(Podolsky)以及罗森(Rosen)一起，写出了著名的EPR佯谬之后，提出了量子纠缠。

实际上「量子纠缠」这个词并不是爱因斯坦提出来的，而是薛定谔提出来的，当时看来是很不可思议的。

量子纠缠的意思是说，两个纠缠的量子不管相距多远，它们都不是独立事件。

当你对一个量子进行测量的时候，另外一个相距很远的量子居然也可以被人知道它的状态，可以被关联地测量，很不可思议。但这样一个简单的现象既然存在于客观世界，我相信它会无处不在，包括存在于我们的人体里。是不是这样呢?当然是这样。

量子纠缠怎么样影响我们的生命，其实我们不知道，为什么？

因为这不是我们可以用直觉去感受的。

很多科学家找了很长时间，发现神经细胞里面的微管可以形成量子纠缠，但是微管的时间尺度是10^(-20)秒到10^(-13)秒，远远小于人的记忆和意识的形成时间。但是他通过理论的实践，以模拟的方式找到了，他正在进行实验验证。



比如把磷和钙放在一起，也就是磷酸钙，当磷酸钙以波斯纳分子集群(Posner molecule or cluster)形式存在的时候，它的量子纠缠时间可以长达105秒!

能把这样一个极其脆弱的，对声、光、电、热都极其敏感的量子纠缠现象的持续时间提高15个数量级，那么如果再提高5个数量级，就可以达到年的水平，以年为单位来保存量子纠缠现象。

那么依此类推，你们觉不觉得，有一天我们人类会发现量子纠缠也是一个可以进化的现象，它可以保存一百年、一千年、一万年。

也就是说，量子纠缠，它在远古的时候就存在了，在进化过程中被保存了下来。

我要问你们四个问题：

1、第一个问题，你们相信有第六感官吗？很多人会说不相信。

2、第二个问题，有没有可能，两个人会以未知的方式进行交流?你会说也许，不会像第一个问题那样肯定地说不信。

3、第三个问题，量子纠缠是否存在于人类的认知世界里面?存在于大脑里?我相信听了我的讲座，你会觉得很有可能。

4、第四个问题，量子纠缠是不是适用于地球上的物质呢？你一定会说一定适用，因为我们已经证明了。

但其实简单讲，这四个问题是完全一样的问题，倒推回去就说明一定有第六感官，只是我们无法感受，所以叫「第六感官」。

那么我们人究竟是什么?我们只不过是由一个细胞走过来的，就是受精卵，所有受精卵在35亿年以前，都来自于同一个细胞，同一团物质，一个处于复杂的量子纠缠的体系，就这么简单。



其实我不知道这里面是什么，但是我相信它。我每呼吸一次会摄入10^22次方的氧原子进入我的身体，进入共价结构。这一口呼吸至少有10^4次方以上的氧原子，被处在世界上一个很遥远角落里的，我没有见过的人呼吸过至少一次，这在一个月内就会做到，人一辈子一直在这么做。而两个人在一个房间里的时候，一天可以有63克的氧气在彼此的肺当中交换。

科学发展到今天，我们看世界完全像盲人摸象一样，我们看到的世界是有形的，我们自己认为它是客观的世界。

其实我们已知的物质的质量在宇宙中只占4%，其余96%的物质的存在形式是我们根本不知道的，我们叫它暗物质和暗能量。

那么盲人摸象般地认识世界是科学吗？一定是科学。

每个人摸的都是真实存在，而且都是客观存在的，都是看得见摸得着的，我们现在也是如此。只是我们不知道摸的是象的后背，还是尾巴，还是耳朵。

我认为人类的认知极限就在于，我们是一堆原子，我们处在宏观世界，但我们希望隔着两个世界去看超微观世界。那是一个最美好的、极其美妙的世界。

世界还有多少我们不知道的东西？

随着量子卫星上天，有关量子的事科普一下：当代科技最前沿发现了什么？竟然颠覆人类世界观！



我们的世界，因为几个最新的科学，全乱了！

搅乱了世界的3项科学成果：

1、暗物质

1.1 怎么发现有暗物质？

我们原来认识的宇宙的形态，是星球与星球之间通过万有引力相互吸引，你绕我转，我绕他转，星球们忙乱而有序。



但后来，科学家通过计算星球与星球之间的引力发现，星球自身的这点引力，远远不够维持一个个完整的星系。如果星系、星球间仅仅只有现有质量的万有引力支持的话，宇宙应是一盘散沙。

宇宙之所以能维持现有秩序，只能是因为还有其他物质。而这种物质，目前为止，我们都没有看到并找到，所以，称之暗物质。

1.2 暗物质有多少？

科学家通过计算，要保持现在宇宙的运行秩序，暗物质的质量，必须5倍于我们现在看到的物质。

1.3 有没有观测到暗物质？

现在没有真正的测到暗物质。只是能发现光线在经过某处时发生偏转，而该区域没有我们能看到的物质，也没有黑洞。

1.4 黑洞是不是暗物质？

不是。黑洞只是光出不来，它发出其他射线，它仍然是常规物质。

2、暗能量

2.1 怎么发现有暗能量？

科学家观测发现，我们现在的宇宙，不仅在不断膨胀，而且在加速膨胀。如果匀速膨胀，还可以理解。但加速膨胀，就需要有新的能量的加入。这能量是啥？科学家也搞不清，取名叫暗能量。

2.2 暗能量有多少？

科学家通过计算，通过质能转换方程Ｅ＝MC2计算，要维持当前宇宙的这种膨胀速度，暗能量应该是现有物质和暗物质总和的一倍还要多。

2.3 有没有找到暗能量？

目前为止，还没有。



3、量子纠缠

现代科学发现，对物质的研究，在进入分子、原子、量子等微观级别后，意外非常大。出现了超导体、纳米级、石墨烯等革命性的材料，出现从分子水平治愈癌症的奇迹。而最神奇的是 —— 量子纠缠。

3.1 什么是量子纠缠？

科学实验发现，二个没有任何关系的量子，会在不同位置出现完全相关的相同表现。如相隔很远（不是量子级的远，是公里、光年甚至更远）的二个量子，之间并没有任何常规联系，一个出现状态变化，另一个几乎在相同的时间出现相同的状态变化，而且不是巧合。

3.2 有没有观测到量子纠缠？

量子纠缠是经理论提出，实验验证了的。科学家已经实现了6-8个离子的纠缠态。我国科学家实现了13公里级的量子纠缠态的拆分、发送。



4、搅乱了的世界

4.1 搅乱了的哲学世界

我们原来认为世界是物质的，没有神，没有特异功能，意识是和物质相对立的另一种存在。

现在我们发现，我们认知的物质，仅仅是这个宇宙的5%。没有任何联系的二个量子，可以如神一般的发生纠缠。把意识放到分子，量子态去分析，意识其实也是一种物质。

既然宇宙中还有95%的我们不知道的物质，那灵魂、鬼都可以存在；

既然量子能纠缠，那第六感、特异功能也可以存在；

同时，谁能保证在这些未知的物质中，有一些物质或生灵，它能通过量子纠缠，完全彻底地影响我们的各个状态？

于是，神也可以存在。



4.2 坍塌了的物理世界

我们现在所有的物理学理论，都以光速不可超越为基础。而据测定，量子纠缠的传导速度，至少4倍于光速。

3.4 崩溃的内心世界

科技发展到今天，我们看到的世界，仅仅是整个世界的5%。这和1000年前人类不知道有空气，不知道有电场、磁场，不认识元素，以为天圆地方相比，我们的未知世界还要多得多，多到难以想像。

世界如此未知，人类如此愚昧，我们还有什么物事必须难以释怀？

让我们致敬那些探索未知的人。