***生命科學閱讀之 4 ***
世界從何而來，生命從何而來，心智從何而來？
量子科學是否能夠解釋這一切？
（有中文版）
“There‘s Plenty of Room at the Bottom" — Richard Feynman
（在最底下的微小的世界中，還有很大的探索空間— 諾貝爾物理學獎得主費因曼）
這是去年第一波疫情期間宅在家買的書，當時覺得如果牛頓在家工作期間可以發展出微積分的概念，那我只是嘗試了解量子科學應該還好吧？可是心裡還是有覺得困難的障礙所以就拖到今年這波疫情，跟著其他生命科學相關的書一起讀。有點難度，但真的好有趣。讀完真的覺得對於感覺困難的東西，不要太快自我設限啊！
這本算是難度比較高的科普書籍，但作者盡量用我們一般人可以理解的現象當成切入點。在我們肉眼可看到的世界牛頓的物理學基本上都是可以充分解釋的。當愛因斯坦把思考的框架拉到整個時空，就發現在那個世界當中古典物理學的概念不能解釋，於是產生出他的相對論。而當我們反向進入極為小的世界當中，發現量子完全不是按照我們平常的邏輯在運作時，感覺又開啟了一個嶄新的世界觀。20世紀初著名的物理學家薛丁格，提出所謂「薛丁格的貓」這個思想實驗，就是已經進入到量子物理學的開端，讓他開始思考是否在更微小的量子級別當中，他們有一套截然不同的運作原理呢？接下來數十年開發出的實驗方式和測量儀器當然就更精準了，看到了量子可以跳動，可以有類似穿牆的能力，甚至可以同時擁有好多不同的狀態（不是只有0和1）。我們真的需要開始跳脫數位的思考，進入量子的世界，才有可能揭開它無窮的潛力。
首先他從候鳥遷徙的故事開始講到基因，這個攜帶生命資訊的程式，到底是如何延續下去以及當中如何產生變化的。我們現代的人比較了解基因和DNA一代一代抄寫下去的概念，可是對於中間變異或是凸槌（例如癌細胞）的部分，卻一直沒有夠好的解釋。記得小時候自然課會講到演化，常常會舉的例子就是那個脖子可以伸最長的長頸鹿才能吃到葉子所以適者生存。從某些角度來講是有它的道理，但脖子在伸長的資訊為什麼這樣的資訊會傳到下一代呢？作者用量子物理學補足了這樣說法當中一些論證不足之處。
再來就是講到能量和動能，即便我們能組合出所有需要的分子，但是所謂的「生命力」是從何而來呢？我很新奇的讀著作者講到大自然中，小學生都知道的「光合作用」，竟然是這麼一個不可思議，效率極高的動能引擎。從工業時代設計的蒸汽機，或是現代的燃油引擎，以及最尖端的發電動能，都無法與光合作用的效能相比。
最後講到人的心識思想和做夢，這是古典物理學完全不能解釋的。作者先帶著我們把人腦和腦細胞想成是類似電路的概念解釋，然後在討入量子物理學驅動實體世界的觀點，才發現原來我們的人腦可能就是一個設計令人讚嘆的量子電腦啊！經他這麼一解釋，我也才稍微明白量子電腦為什麼會有這麼大的潛力，但也明白量子電腦現在為什麼這麼難模擬和製作。
作者最後用一個很有趣的圖來比喻古典物理學和量子力學中間的關係。如果說我們生活的這個實體世界像是航行在海上的一艘船，這艘船受到海面上的浪以及外面的風所影響。但船底下的這個還是深不可測的，他下面有一大部分的底層是由熱力學來支撐的，熱力學底下就是量子物理力學。當上面船隻的航行和節奏與最底層一致的時候，即便有風浪也還算能夠平靜行駛。但是當這樣子的連結被打斷的時候，船就很容易覆沒，而一旦覆沒，也是一個不可逆的現象了 （例如基因突變或是死亡）
探索世界無止境的奧秘，不管是物理，化學，天文，還是生命科學，總會有一種敬畏的心。就像牛頓所說的 :
“我不知道世界怎麼看待我，但我認為我就像沙灘上玩耍的一個男孩，投入在探索中。偶爾會找到一個圓滑的石子，或是一個不尋常的漂亮貝殼。而在我的前方一片像是汪洋大海的真理，等待探索”
“I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all undiscovered before me”
全文與中文版鏈接在部落格中
https://dushuyizhi.net/life-on-the-edge-%e8%a7%a3%e9%96%8b%e7%94%9f%e5%91%bd%e4%b9%8b%e8%ac%8e/
#lifeontheedge #quantumbiology #quantumphysics #量子科學 #量子物理學 #量子生物學 #解開生命之謎
測不準原理薛丁格的貓 在 Fw: [問卦] 請問薛丁格科學家- 看板ScienceNote - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1RRgwfIv ]
作者: jfsu (水精靈)
標題: Re: [問卦] 請問薛丁格科學家
時間: Sat Aug 11 17:38:38 2018
※ 引述《iwantzzz (我愛大自然)》之銘言：
: 我是文組作業員
: 請問愛因斯坦小學畢業還可以偉大科研
: 法拉第小學沒畢業對電學很有貢獻
: 這幾年有空圖書館吹冷氣
: 看到一堆學生解薛丁格方程式
: 請問薛丁格小學有畢業嗎？
: 還有狄拉克小學有畢業嗎?
: 科學研究需要天分?
: 昨晚夢到跟這些科學家一起做研究
: 興奮之餘 特地來問問
食神說：一字記之曰「心」。爸爸媽媽，爺爺奶奶，男孩女孩...，只要用心，
人人都可以從事科學研究，成為一位頂天立地、堂堂正正的科學家。
先來說說薛丁格吧，狄拉克有機會再來討論他~
埃爾文‧薛丁格（德文：Erwin Sch?dinger，1887.8.12－1961.1.4），對岸中國譯
為薛定諤，奧地利理論物理學家，量子力學的奠基人之一。1933年和英國物理學家
狄拉克共同獲得了諾貝爾物理學獎。
與現代物理量子理論發展史上的名人相比，薛丁格算是大器晚成，第一篇使他們成名的
論文發表時：
愛因斯坦：26歲（1905, 特殊相對論）
波 耳： 29歲 (1914, 原子模型)
海森堡： 26歲（1927, 測不準原理）
包 立： 25歲（1925, 包立不相容原理）
狄拉克： 26歲 (1928, 狄拉克方程式)
薛丁格： 39歲 (1926, 薛丁格方程式)
一般來說，年輕的科學家較容易跳出舊的理論框架，在當時，薛丁格以40歲大叔的年齡
在全新的領域上能有重大的開拓，也算的上是奇行種！
啊～嘶～中年男子真的是令人摸不透啊！
換個角度思考，各為鄉民在這個年紀，都在做些什麼呢？
1887年，薛丁格誕生在奧地利的維也納埃德伯格（Wien Erdberg），父親經營一間
小工廠。他只進過一次小學，只有短短的二個月，大多時間都是在父親與家庭教師
的指導下自學。直到11歲，才進入九年制的普通高等學校就讀。雖然各科成績優異，但
此時的他，仍是偏愛物理與數學。
1906年，畢業後隨即進入維也納大學研修理論物理學。當時該學院的教師波茲曼
（Ludwig Boltzmann,1844～1906, 奧地利物理學家，在統計力學的理論有重大貢獻，
以其為名作為紀念的波茲曼常數在此領域相應地具有相當重要的地位。他一生在與自己
的學術對手作鬥爭，被迫不停的宣傳分子論，學術上的鬥爭竟然引入了人身攻擊，最終
選擇自殺以結束了自己的生命。不幸的是，他一死，他的對手就承認了分子論。）
自殺身亡，薛丁格被校園的悲痛氣氛感動，他決心以波茲曼的研究課題為自己的
主攻方向，立志完成波茲曼未竟的事業。
於是薛丁格拜師波茲曼的弟子理論物理學家哈澤諾爾與實驗物理學家埃克斯納的門下。
連續上了八堂財經課，呃...是八個學期他參加了每週五次哈澤諾爾的理論物理講座，
學習統計力學、漢彌爾頓力學與連續介質力學中的本徵值，這些成為他後來建立
波動力學理論的基礎。
薛丁格在1933年與狄拉克獲得諾貝爾物理獎時，強調說：『假如哈澤諾爾沒有去世的話
，那麼他現在當然會站在我的位上。』
1910年在哈澤諾爾的指導下獲得了博士學位，所做的博士論文是研究在潮濕空氣中
絕緣體表面的電傳導。之後，他留校擔任埃克斯納的助手，受到了實驗科學方面的
嚴格訓練。
1921年，他來到蘇黎世大學，擔任曾經由愛因斯坦與勞厄擔任過的教授職位。不過，
早在世紀之初，物理學的三大發現使經典物理學山雨欲來，之後的量子論與相對論更使
傳統理論搖搖欲墜。以往是真理的理論，現在卻變得可笑。
在拉塞福發現原子結構後，他的學生波耳在1914年把量子論與電磁理論結合，成功地
提出原子結構的量子理論，特別是軌道量子化之後，海森堡等人建立了描述微觀粒子
狀態的矩陣力學，突破了量子理論的舊格局。
只不過，矩陣力學的高度抽象性與繁雜的數學運算，使得一般的原子物理學家怯步
不前。
1924年，法國物理家德布羅依(De Brogle, 1892~1987）的波粒二象性，為薛丁格建立
波動力學打開了一扇大門。不過，德布羅依的理論對於當時的物理學家而言又是一個
奇行種，只有愛因斯坦從中看出其中端倪，於是他在1925年發表的理想氣體量子統計
的論文中引用，這也引起了研究氣體統計問題的薛丁格注意。
自1926年1月到6月，薛丁格連續發表了6篇關於量子力學的論文，將波耳理論、海森堡的
矩陣力學、漢彌爾頓相似關係與德布羅依的理論合而為一，使得波動力學成為一個
有效的完整體系。由於它不像矩陣力學那樣難懂，而是採經典理論常用的偏微分方程
描述方法和易於理解的概念。
薛丁格方程式所屬的波動力學可以變轉換為海森堡的矩陣力學，或是理察‧費因曼的
路徑積分表述。薛丁格波動方程式的解，清楚地描述量子尺寸下，粒子
（像電子、質子、正子）的統計性量子行為。
一天，他接到來自愛因斯坦的來信，信中說：『你的文章的意思表現出真正的獨創性。』
這句話使得他非常感動，他憶起過世的波茲曼，想起物理學院內同學們啜泣聲，
他在心中默唸：「偉大的波茲曼seafood，我們終於在渾沌世界中又找到了堅實的
陸地。」
他的朋友看到薛丁格讀完信後一直看著天空，便問他為什麼。
他靜靜地說：『一直看著天空，也只是不讓淚水決堤而已。』
由此一說，在薛丁格發現這個舉世聞名的方程式時，他到底在做些什麼？很明顯的，
薛丁格是崇尚『自由戀愛』。在他外出時，身旁常有妻子或是情婦作伴，甚至他還將
自己和愛人的相處情況鉅細靡遺地記錄下來，還用了一些複雜的代碼來表示他每一次
的邂逅，例如 ob'_'ov 、 (bdﾟ∀ﾟ)
回到一開始的問題，他在創造出這個著名的等式時，他正在阿爾卑斯山上的荷薇山莊
(Villa Herwig)與其中一位女友共渡週末。
這叫眾多去死去死團的宅宅們情何以堪！！
後來他用該方程式來解氫原子的波函數，得到波耳的電子繞原子核運轉的模型實際上是
錯的！電子並非循著特定的軌道繞行原子，而是以波動的方式在原子核周圍運動！
所以大家請把腦袋中那個傳統的電子繞原子核運轉的畫面擦掉 ，雖然媒體、廣告常用
這個來代表科學。
簡而言之，電子確實是粒子，只不過要找到這個粒子的機率是由薛丁格的波動方程式
決定； 波越大，代表找到特定粒子的機率越高！
不過，薛丁格、德布羅依與愛因斯坦認為這個方程式所反映出來的波是物質粒子的波，
但是，波耳、海森堡與玻恩卻是認為那是機率波，波函數是微觀粒子出現在某一個地方
的機率。也因此，隨機與機率便闖入了物理學，這讓薛丁格本人甚至是量子理論始祖的
愛因斯坦，都對這樣的結果表示驚訝，『量子力學確實值得尊敬，…至少我不相信
上帝是在擲骰子！』 他認為，「量子理論越成功，它就越愚蠢！」
是否願意接受祝福(Y/n？ Yes！
是否願意接受量子論(Y/n？) No！
薛丁格最有名的研究是在1935年所提出的一個瘟腥致鬱的思考性實驗：薛丁格的貓，
這是用來解釋量子論和我們實際經驗間的一個主要矛盾。實驗內容在此就不再贅述，
有興趣的人請自行google。這個出名的實驗與拉普拉斯的老智者（Démon de Laplace）
、馬克士威的惡魔（Maxwell's demon）、雙生子謬論(Twin Paradox)...等等同列。
雖然此思考性的實驗因為許多原因無法執行，但其基本的原理終於在1996年，科學家
使用帶正電的鈹來進行實驗而證明。
最後，薛丁格晚年一直致力於用量子力學來促使生物學和物理學的統一研究，他用
波動力學的最新成就和方法剖析生命現象。1944年，《生命是什麼》一書出版，
再一次地推動量子生物學的發展。
1953年，克里克與華生在威爾金斯的X射線繞射的資料基礎上，發現了DNA的雙股螺旋
結構，就是在薛丁格的感召下，發動了一次漂亮的生物科學革命！
☆薛丁格大人讓生物學興奮啦！ go to DＮＡ ！ go to ＤＮＡ ！☆
以上
參考書籍：
1.《物理雙月刊》（三十卷二期） 2008 年4月 本月物理史
2. 薛丁格（Erwin Schr?dinger）的弔詭貓（譯自APS News，2002年3月）
3. 科學五千年（8）
4. 20世紀最偉大的科學實驗
5. 物理之書 (時報出版社)
6. 屬性同好會 高尾部長
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在臺灣，何謂R&D工程師?
1.Reverse and Decap :IC反向工程，去膠，打開封裝，拍照，複製電路佈局。
2.Resign and Die :沒死的就操到辭職，沒辭職的就操到死。
3.Rework and Debug :計畫永遠跟不上變化，變化永遠跟不上老闆的一句話！
4.Relax and Delay :太過於輕鬆(Relax)，那麼就要有schedule delay的準備！
但是外派到大陸的臺灣郎，晚上是R (鴨)陪客戶，白天是D (豬)任人宰割！
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