人的視覺、嗅覺、觸覺是否與量子有關(guān)

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視覺讓我們看清整個(gè)世界，嗅覺讓我們聞到食物的香味，觸覺讓我們感受到物體的存在。我們已經(jīng)知道，所有物質(zhì)從本質(zhì)上都是由粒子構(gòu)成的，這些非常小的粒子遵循量子力學(xué)。人們一直試圖用量子效應(yīng)來解釋一切，那么人的感覺是否也與量子有關(guān)？

量子讓我們感受到物體

當(dāng)我們用手握住咖啡杯時(shí)，手和杯子表面的原子接觸，我們能感覺到杯子是實(shí)實(shí)在在的。這其實(shí)是一種幻覺，因?yàn)槲覀儚膩頉]有真正地接觸過任何東西。一個(gè)原子的99.999999%以上都是空的，它的質(zhì)量集中在原子核上。

原子由原子核和電子組成，按照當(dāng)前的理論，電子本身沒有任何的體積，它們是圍繞原子核快速轉(zhuǎn)動(dòng)的負(fù)電荷。根據(jù)量子力學(xué)理論，電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子能量是不同的，這些能量值即為能級(jí)，能量越高的電子離原子核越遠(yuǎn)。用手抓住杯子，這個(gè)動(dòng)作強(qiáng)迫電子從一個(gè)能級(jí)跳到另一個(gè)能級(jí)，手部的肌肉為此消耗了能量。這是電子和我們身體之間的相互作用，大腦把這種相互作用解讀為：我們接觸了實(shí)際的物體?，F(xiàn)在，我們知道了觸覺的產(chǎn)生確實(shí)需要量子力學(xué)。

量子讓我們聞到不同的氣味

我們對(duì)著裝了咖啡的杯子深吸一口氣，聞到了咖啡的香氣。嗅覺神經(jīng)存在于鼻腔表面，鼻子吸進(jìn)飄在空氣中的咖啡分子，這些分子附著在鼻腔表面的一層黏液上，并嵌入嗅覺神經(jīng)元。這種接觸到底是如何產(chǎn)生嗅覺體驗(yàn)的？

鼻腔表面有嗅覺感受器，它是由嗅細(xì)胞和基細(xì)胞等組成的。傳統(tǒng)理論認(rèn)為：每一種嗅覺感受器只接受特定形狀的分子，就像鎖和鑰匙一樣，只有二者匹配，才能結(jié)合。當(dāng)分子和感受器結(jié)合時(shí)，就會(huì)激活大腦，大腦將這種組合解釋為一種味道。這可以總結(jié)為：我們聞到了分子的“形狀”。

但無法用傳統(tǒng)的理論來解釋一個(gè)問題：兩個(gè)形狀和組成都大不相同的分子，卻能讓人感受到相同的氣味。似乎除了形狀，還有別的因素影響我們的嗅覺。因此，科學(xué)家提出了嗅覺振動(dòng)理論。

所有的分子都在不斷地以不同的速度擺動(dòng)，我們的鼻子能夠感受到這種振動(dòng)的差異。希臘亞歷山大·弗萊明生物醫(yī)學(xué)研究中心的生物物理學(xué)家盧卡·都靈找到了能夠佐證這個(gè)理論的證據(jù)。首先，硫具有特殊的氣味和振動(dòng)模式，一種含硼的分子有和硫一樣的味道，盡管它們的分子形狀完全不同，但是兩種分子的振動(dòng)模式相同。另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)利用了氫和氘的原子特性，氫和氘互為同位素，兩種原子的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同，它們的形狀一樣，但振動(dòng)頻率不同。當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員把香水中的氫原子換成氘原子時(shí)，人們可聞出前后兩種味道的區(qū)別，也就是說我們的鼻子能感受到分子的振動(dòng)。

都靈推測(cè)，鼻子能夠感受到分子振動(dòng)是因?yàn)榱孔铀淼佬?yīng)。這種效應(yīng)類似于穿墻而過，能夠使電子從嗅覺感受器的一邊穿到另一邊。分子的振動(dòng)能夠?yàn)檫@種效應(yīng)提供能量。分子振動(dòng)不同，電子“穿墻”的速度也不同，引起嗅覺神經(jīng)不同的電信號(hào)，這些不同的電信號(hào)讓我們聞到了不同的氣味。所以，我們可以將鼻子當(dāng)成一個(gè)精密的電子探測(cè)器。

量子讓我們看見光

當(dāng)然，視覺也和量子有關(guān)。我們能夠看到事物是因?yàn)楣獾拇嬖?，而光的基本粒子是光子，光子也是量子力學(xué)中非常重要的一種粒子。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性，即光子具有波和粒子的雙重性質(zhì)。波長是波的性質(zhì)的度量，一般人的眼睛可以感知的光的波長范圍在390納米到760納米之間，波長在760納米到1000微米之間的光被稱為“紅外線”，波長在10納米到390納米之間的光被稱為“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺感受，這是由人眼的視網(wǎng)膜所能感受到的波長決定的（即可見光波長范圍）。視網(wǎng)膜中有兩種負(fù)責(zé)探測(cè)光線的“光感受器”細(xì)胞：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。它們依靠一種叫作視紫紅質(zhì)的蛋白質(zhì)來檢測(cè)光。視紫紅質(zhì)吸收光子，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使視網(wǎng)膜產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)被大腦識(shí)別后，就產(chǎn)生了視覺。

2016年，紐約洛克菲勒大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，人類可以感受到單個(gè)光子。這刷新了人類的視覺極限，通常5到9個(gè)光子才能引發(fā)大腦視覺神經(jīng)電信號(hào)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)受試者先在黑暗中待了30分鐘，當(dāng)他們適應(yīng)了黑暗以后，實(shí)驗(yàn)員便用儀器發(fā)出單個(gè)光子。受試者表示他們的確能夠感受到單個(gè)光子。

量子影響食物的味道

舌頭可以感受到食物中的化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生味覺。味蕾是舌頭能夠感受到味道的主要原因。味蕾大部分位于舌頭表面的乳狀突起中，每個(gè)味蕾都是由一組味覺細(xì)胞組成的梨形結(jié)構(gòu)，味覺細(xì)胞的表面有許多味覺感受分子（即受體蛋白質(zhì)）。人類有5種味覺，分別是：酸、甜、苦、咸、鮮。產(chǎn)生甜、苦、鮮的味覺機(jī)制是相同的，帶有這些味道的物質(zhì)溶于水或唾液中后，與味蕾中的受體蛋白相結(jié)合，就會(huì)引發(fā)相應(yīng)的神經(jīng)信號(hào)，最終產(chǎn)生甜味或者苦味、鮮味。酸味和咸味的產(chǎn)生機(jī)制則與離子和味覺細(xì)胞表面的離子通道有關(guān)，但目前科學(xué)家們尚未將這些機(jī)制研究清楚。

既然所有的物質(zhì)都是量子的，那么食物的味道也與量子有關(guān)。我們用肉眼能夠看到的和看不到的一切物質(zhì)都在振動(dòng)著，產(chǎn)生不同頻率的紅外光。紅外光攜帶能量，當(dāng)食物吸收了紅外光之后，味道就會(huì)改變。例如，被紅外光照射之后的酒，味道會(huì)有明顯的變化——口感變淡。原因是紅外光通過每秒鐘上億次的振動(dòng)瞬間將酒里的水切割為微分子團(tuán)，微分子團(tuán)的水包裹酒精分子，最先接觸味蕾的是水，再加上高頻振動(dòng)的微分子團(tuán)容易被吸收，不會(huì)在味蕾上面停留過久，因此酒會(huì)更淡。

微觀粒子運(yùn)動(dòng)遵循量子力學(xué)，科學(xué)家們正在用量子解釋許多的現(xiàn)象，讓我們能夠更加理解世界。