ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."

Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
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Jim Al-Khalili: How quantum biology might explain life's biggest questions

Jim Al-Khalili: 量子生物學如何解答生命最重要的難題

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知更鳥是如何知道向南遷徙的?答案可能比你想的要更加奇異;因答案可能與量子物理有關。Jim Al-Khalili 向我們展示量子生物學這個極為新穎,極為迥異的世界,正是那個曾被愛因斯坦叫做「遠距離的幽靈行動」在為鳥類導航,而量子效應或許將揭示生命的起源。
- Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge." Full bio

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00:13
I'd like to introduce介紹 you
to an emerging新興 area of science科學,
0
1190
4528
我想向你們介紹
一個新興的科學領域,
00:17
one that is still speculative投機
but hugely巨大 exciting扣人心弦,
1
5742
3943
一個仍在推導中,
但十分激動人心的,
00:21
and certainly當然 one
that's growing生長 very rapidly急速.
2
9709
2629
並且發展尤為迅速的領域。
00:25
Quantum量子 biology生物學
asks a very simple簡單 question:
3
13448
4048
量子生物學
問了一個很簡單的問題:
00:29
Does quantum量子 mechanics機械學 --
4
17520
1350
量子力學---
00:30
that weird奇怪的 and wonderful精彩
and powerful強大 theory理論
5
18894
3302
這個怪誕奇妙而強大的理論,
00:34
of the subatomic亞原子 world世界
of atoms原子 and molecules分子
6
22220
2688
存在於原子和分子的亞原子世界,
00:36
that underpins鞏固 so much
of modern現代 physics物理 and chemistry化學 --
7
24932
3488
並為現代物理和化學
打下如此堅固的基礎---
00:40
also play a role角色 inside the living活的 cell細胞?
8
28444
3412
是否也在活細胞中
扮演著一定角色?
00:43
In other words: Are there processes流程,
mechanisms機制, phenomena現象
9
31880
4079
換句話說:是否某些進程,
機制和現象
00:47
in living活的 organisms生物
that can only be explained解釋
10
35983
3988
在生物有機體中只能通過
00:51
with a helping幫助 hand
from quantum量子 mechanics機械學?
11
39995
2743
量子力學的幫助得以解釋說明?
00:55
Now, quantum量子 biology生物學 isn't new;
12
43546
1637
如今,
量子生物學並不是新事物;
00:57
it's been around since以來 the early 1930s.
13
45207
2401
早在20世紀30年代
量子生物學就出現了。
00:59
But it's only in the last decade or so
that careful小心 experiments實驗 --
14
47928
3715
然而,直到大約過去十年內,
那些周密的實驗---
01:03
in biochemistry生物化學 labs實驗室,
using運用 spectroscopy光譜 --
15
51667
3464
在生物化學實驗室中,
使用光譜儀---
01:07
have shown顯示 very clear明確, firm公司 evidence證據
that there are certain某些 specific具體 mechanisms機制
16
55155
6863
才得出非常確鑿的證據,
證明的確有某些特定的機制
01:14
that require要求 quantum量子 mechanics機械學
to explain說明 them.
17
62042
2511
需要量子力學來解釋。
01:17
Quantum量子 biology生物學 brings帶來 together一起
quantum量子 physicists物理學家, biochemists生物化學家,
18
65674
3329
量子生物學領域聚集了
量子物理學家,生物化學家
01:21
molecular分子 biologists生物學家 --
it's a very interdisciplinary跨學科 field領域.
19
69027
3641
和分子生物學家---
一個極具交叉性的學科。
01:24
I come from quantum量子 physics物理,
so I'm a nuclear physicist物理學家.
20
72692
3929
我來自量子物理學領域,
然後我是一個核物理學家。
01:28
I've spent花費 more than three decades幾十年
21
76645
2265
我花了三十多年的時間
01:30
trying to get my head
around quantum量子 mechanics機械學.
22
78934
2929
來嘗試研究量子力學。
01:33
One of the founders創始人
of quantum量子 mechanics機械學, Niels尼爾斯 Bohr玻爾,
23
81887
2493
Niels Bohr,
量子力學的創始人之一
01:36
said, If you're not astonished驚訝 by it,
then you haven't沒有 understood了解 it.
24
84404
3350
說過:如果你沒有為之震撼,
那麽你就沒有理解它。
01:40
So I sort分類 of feel happy快樂
that I'm still astonished驚訝 by it.
25
88237
2843
我現在仍然對它感到震驚,
所以我還挺高興的。
01:43
That's a good thing.
26
91104
1745
這是個好事。
01:44
But it means手段 I study研究 the very
smallest最少 structures結構 in the universe宇宙 --
27
92873
6885
但這意味著我研究的
是宇宙中最最細微的結構---
01:51
the building建造 blocks of reality現實.
28
99782
2075
是現實的基石。
01:53
If we think about the scale規模 of size尺寸,
29
101881
3215
如果我們想知道這個結構的大小
01:57
start開始 with an everyday每天 object目的
like the tennis網球 ball,
30
105120
2952
先從一個日常物品開始,
比如說一個網球,
02:00
and just go down orders命令
of magnitude大小 in size尺寸 --
31
108096
2901
然後將物體的尺寸大小按降序排列---
02:03
from the eye of a needle down to a cell細胞,
down to a bacterium細菌, down to an enzyme --
32
111021
5197
從一個針眼,到一個細胞,
到一個細菌,再到一個酶---
02:08
you eventually終於 reach達到 the nano-world納米世界.
33
116242
1729
最後你就來到了奈米的世界。
02:09
Now, nanotechnology納米技術 may可能 be
a term術語 you've heard聽說 of.
34
117995
2495
現在你可能聽說過
奈米科技這個名詞。
02:12
A nanometer納米 is a billionth十億 of a meter儀表.
35
120841
2853
一奈米是一米的十億分之一。
02:16
My area is the atomic原子 nucleus,
which哪一個 is the tiny dot inside an atom原子.
36
124560
4370
我的研究領域是原子核,
相當於原子力的一個小點。
02:20
It's even smaller in scale規模.
37
128954
1932
它的尺寸規模甚至更小。
02:22
This is the domain of quantum量子 mechanics機械學,
38
130910
1918
這屬於量子力學的領域,
02:24
and physicists物理學家 and chemists化學家
have had a long time
39
132852
2516
而且物理學家和化學家
已經花了很久的時間
02:27
to try and get used to it.
40
135392
1301
來做出嘗試並適應該領域。
02:29
Biologists生物學家, on the other hand,
have got off lightly輕輕, in my view視圖.
41
137248
4457
另一方面我認為,
生物學家已經輕易地離開了該領域。
02:34
They are very happy快樂 with their
balls-and-sticks球和枝 models楷模 of molecules分子.
42
142071
4331
他們對自己的分子球-棍模型
已經很滿意了。
02:38
(Laughter笑聲)
43
146426
1082
(笑聲)
02:39
The balls are the atoms原子, the sticks
are the bonds債券 between之間 the atoms原子.
44
147532
3198
球就是原子,
而棍是連接各個原子的紐帶。
02:42
And when they can't build建立 them
physically物理 in the lab實驗室,
45
150754
2494
而且當他們不能在實驗室裏
用實物建造這種結構時,
02:45
nowadays如今, they have
very powerful強大 computers電腦
46
153272
2392
他們現在可以使用
強大的計算機技術
02:47
that will simulate模擬 a huge巨大 molecule分子.
47
155688
1967
來模擬出一個巨大的分子結構。
02:49
This is a protein蛋白 made製作 up
of 100,000 atoms原子.
48
157679
3664
這是一個由10萬原子構成的蛋白質。
02:54
It doesn't really require要求 much in the way
of quantum量子 mechanics機械學 to explain說明 it.
49
162003
4335
事實上它並不需要
用量子力學的理論來解釋。
02:59
Quantum量子 mechanics機械學
was developed發達 in the 1920s.
50
167695
2889
量子力學發展於20世紀20年代。
03:02
It is a set of beautiful美麗 and powerful強大
mathematical數學的 rules規則 and ideas思路
51
170965
6880
它是一套美妙且強大的
數學規則和理念,
03:09
that explain說明 the world世界 of the very small.
52
177869
2608
用來解釋那些微小的世界。
03:12
And it's a world世界 that's very different不同
from our everyday每天 world世界,
53
180501
3372
同時這個世界
於我們日常世界非常迥異,
03:15
made製作 up of trillions萬億 of atoms原子.
54
183897
1519
這個世界包括幾萬億原子。
03:17
It's a world世界 built內置
on probability可能性 and chance機會.
55
185440
3557
它是一個建立在可能性和概率上的,
03:21
It's a fuzzy模糊 world世界.
56
189818
1302
比較模糊的世界。
03:23
It's a world世界 of phantoms幻影,
57
191144
1730
猶如一個幽靈居住的世界,
03:24
where particles粒子 can also behave表現
like spread-out擴散;傳播開 waves波浪.
58
192898
3348
在這裏,
粒子也可以表現出散開的波狀形態。
03:30
If we imagine想像 quantum量子 mechanics機械學
or quantum量子 physics物理, then,
59
198157
2862
如果我們把量子力學,
或量子物理學
03:33
as the fundamental基本的
foundation基礎 of reality現實 itself本身,
60
201043
5214
想象為是現實本身的基礎,
03:38
then it's not surprising奇怪 that we say
61
206281
1730
那麽我們會自然而然地說,
03:40
quantum量子 physics物理 underpins鞏固
organic有機 chemistry化學.
62
208035
2420
有機化學是基於量子物理學的。
03:42
After all, it gives us
the rules規則 that tell us
63
210479
2120
畢竟,量子物理學的規則向我們解釋了
03:44
how the atoms原子 fit適合 together一起
to make organic有機 molecules分子.
64
212623
2641
原子們是如何配合在一起
來組成有機分子的。
03:47
Organic有機 chemistry化學,
scaled縮放 up in complexity複雜,
65
215288
3239
因複雜性而放大的有機化學,
03:50
gives us molecular分子 biology生物學,
which哪一個 of course課程 leads引線 to life itself本身.
66
218551
3322
產生出分子生物學,
當然就指向了生命本身。
03:54
So in a way, it's sort分類 of not surprising奇怪.
67
222174
1977
因此在某種意義上說,
它並不令人驚訝。
03:56
It's almost幾乎 trivial不重要的.
68
224175
1214
它幾乎是很細微的。
03:57
You say, "Well, of course課程 life ultimately最終
must必須 depend依靠 of quantum量子 mechanics機械學."
69
225413
4220
你會說:“好吧,
那生命最終必然依賴於量子力學。”
04:02
But so does everything else其他.
70
230141
2390
但是其它所有的一切都是這樣。
04:04
So does all inanimate老成 matter,
made製作 up of trillions萬億 of atoms原子.
71
232555
3615
所有由幾萬億原子構成的
無生命的物質都是如此。
04:08
Ultimately最終,, there's a quantum量子 level水平
72
236501
4878
最終,應該有一個量子水平
04:13
where we have to delve鑽研 into
this weirdness怪事.
73
241403
2183
讓我們不得不
去深入探索這種怪異性。
04:15
But in everyday每天 life,
we can forget忘記 about it.
74
243610
2416
但在日常生活中,
我們又會經常忘記這點。
04:18
Because once一旦 you put together一起
trillions萬億 of atoms原子,
75
246404
3199
因為一旦當你將幾萬億的原子
放在一起時,
04:21
that quantum量子 weirdness怪事
just dissolves溶解 away.
76
249627
2615
量子的怪異性就消失了。
04:27
Quantum量子 biology生物學 isn't about this.
77
255288
2569
量子生物學不是研究這個的。
04:29
Quantum量子 biology生物學 isn't this obvious明顯.
78
257881
2556
量子生物學並不是這樣明顯的。
04:32
Of course課程 quantum量子 mechanics機械學
underpins鞏固 life at some molecular分子 level水平.
79
260461
4229
當然在某個分子級上的生
是由量子力學來支撐的。
04:37
Quantum量子 biology生物學 is about looking
for the non-trivial不平凡的 --
80
265254
6004
量子生物學研究的是非細微的---
04:43
the counterintuitive有悖常理 ideas思路
in quantum量子 mechanics機械學 --
81
271282
4476
量子力學中反直覺的理念---
04:47
and to see if they do, indeed確實,
play an important重要 role角色
82
275782
3015
去研究它們是否確實
04:50
in describing說明 the processes流程 of life.
83
278821
2452
在描述諸多生命過程中起作用。
04:54
Here is my perfect完善 example
of the counterintuitivenesscounterintuitiveness
84
282653
5220
這是我舉的一個很典型的例子來闡釋
04:59
of the quantum量子 world世界.
85
287897
1446
量子世界中的反直覺性。
05:01
This is the quantum量子 skier滑雪者.
86
289367
1251
這是一位量子滑雪者。
05:02
He seems似乎 to be intact完整,
he seems似乎 to be perfectly完美 healthy健康,
87
290642
2640
他看上去是完整無缺的,
還是很健康的,
05:05
and yet然而, he seems似乎 to have gone走了 around
both sides雙方 of that tree at the same相同 time.
88
293306
4127
然而,
他好像同時穿過了樹的兩邊。
05:09
Well, if you saw tracks軌道 like that
89
297457
1663
正如你們看到的軌跡一樣,
05:11
you'd guess猜測 it was some
sort分類 of stunt特技, of course課程.
90
299144
2309
你可能會覺得這是某種特技表演。
05:13
But in the quantum量子 world世界,
this happens發生 all the time.
91
301477
2591
但是在量子世界中,
這卻是常事。
05:16
Particles粒子 can multitask多任務,
they can be in two places地方 at once一旦.
92
304864
3026
粒子們能夠完成多種任務,
它們可以同時在兩個不同的地點。
05:19
They can do more than one thing
at the same相同 time.
93
307914
2328
它們可以同時做不止一件事。
05:22
Particles粒子 can behave表現
like spread-out擴散;傳播開 waves波浪.
94
310266
2643
粒子們可以呈現出散開的波狀。
05:25
It's almost幾乎 like magic魔法.
95
313298
1599
這就是像是魔法一樣。
05:27
Physicists物理學家 and chemists化學家 have had
nearly幾乎 a century世紀
96
315538
2749
物理學家和化學家
已經用了一個世紀的時間
05:30
of trying to get used to this weirdness怪事.
97
318311
2646
來適應這件怪事。
05:33
I don't blame the biologists生物學家
98
321445
1350
我不會責怪生物學家們,
05:34
for not having to or wanting希望
to learn學習 quantum量子 mechanics機械學.
99
322819
2635
責怪他們沒有
或者不想去了解量子力學。
05:37
You see, this weirdness怪事 is very delicate精巧;
100
325478
3198
你們看,
這種怪異是很微妙易損的;
05:40
and we physicists物理學家 work very hard
to maintain保持 it in our labs實驗室.
101
328700
4450
所以我們物理學家在實驗室裏
很努力的在維持這種怪異。
05:45
We cool our system系統 down
to near absolute絕對 zero,
102
333174
4204
我們將系統冷卻至接近絕對零度,
05:49
we carry攜帶 out our experiments實驗 in vacuums真空,
103
337402
1945
我們在真空的環境中進行實驗,
05:51
we try and isolate隔離 it
from any external外部 disturbance騷亂.
104
339371
3527
我們還努力將它
隔絕於一切外部的干擾。
05:55
That's very different不同 from the warm,
messy, noisy嘈雜 environment環境 of a living活的 cell細胞.
105
343602
5078
這些與一個活細胞中溫暖,
混亂和吵鬧的環境截然不同。
06:01
Biology生物學 itself本身, if you think of
molecular分子 biology生物學,
106
349960
2787
如果你思考一下分子生物學的話,
生物學本身
06:04
seems似乎 to have doneDONE very well
in describing說明 all the processes流程 of life
107
352771
3457
似乎將所有的生命進程,
06:08
in terms條款 of chemistry化學 --
chemical化學 reactions反應.
108
356252
2486
從化學---化學反應---
的角度已經描述得很好了。
06:10
And these are reductionist還原,
deterministic確定性 chemical化學 reactions反應,
109
358762
4850
而且這些還原論者,
或這些確定性的化學反應,
06:15
showing展示 that, essentially實質上, life is made製作
of the same相同 stuff東東 as everything else其他,
110
363636
5114
告訴我們:基本而言,
生命的構成材質與其他物質相同,
06:20
and if we can forget忘記 about quantum量子
mechanics機械學 in the macro world世界,
111
368774
3060
所以如果我們能夠忘記
宏觀世界裡的量子力學,
06:23
then we should be able能夠 to forget忘記
about it in biology生物學, as well.
112
371858
3246
那麽我們就也能夠忘記生物學。
06:27
Well, one man begged
to differ不同 with this idea理念.
113
375706
3364
但是,有人很不同意這個觀點。
06:32
Erwin歐文 Schr薛定諤ödinger薛定諤,
of Schr薛定諤ödinger's薛定諤的 Cat fame名譽,
114
380062
3469
以“Schrödinger的貓”實驗而著名的
Erwin Schrödinger,
06:35
was an Austrian physicist物理學家.
115
383555
1317
是一位澳大利亞的物理學家。
06:36
He was one of the founders創始人
of quantum量子 mechanics機械學 in the 1920s.
116
384896
3183
他是20世紀20年代
量子力學的創始人之一。
06:40
In 1944, he wrote a book
called "What is Life?"
117
388663
2707
在1944年,
他寫了一本書叫“生命是什麼?”。
06:43
It was tremendously異常 influential有影響.
118
391839
1731
這本書非常具有影響力。
06:45
It influenced影響 Francis弗朗西斯 Crick克里克
and James詹姆士 Watson沃森,
119
393594
2881
它影響了Francis Crick和
James Watson
06:48
the discoverers發現者 of the double-helix雙螺旋
structure結構體 of DNA脫氧核糖核酸.
120
396499
2523
這兩位是發現DNA雙螺旋結構的人。
06:51
To paraphrase意譯 a description描述
in the book, he says:
121
399343
3668
他是這樣闡釋書中的一個描述的:
06:55
At the molecular分子 level水平,
living活的 organisms生物 have a certain某些 order訂購,
122
403035
5786
在分子水平,
生物體都有一個明確地秩序,
07:00
a structure結構體 to them that's very different不同
123
408845
3232
一種結構,
這個結構不同於
07:04
from the random隨機 thermodynamic熱力學 jostling擁擠
of atoms原子 and molecules分子
124
412101
4736
那些在複雜程度相同的
無生命物質中的
07:08
in inanimate老成 matter
of the same相同 complexity複雜.
125
416861
3706
原子和分子的隨機性熱力推撞。
07:13
In fact事實, living活的 matter seems似乎 to behave表現
in this order訂購, in a structure結構體,
126
421504
5014
事實上,有生命體似乎都以
這種秩序存在,在一個結構中,
07:18
just like inanimate老成 matter
cooled冷卻 down to near absolute絕對 zero,
127
426542
3834
就像被冷卻至近絕對零度的
無生命物質一樣,
07:22
where quantum量子 effects效果
play a very important重要 role角色.
128
430400
3033
那個時候量子效應
就起到很重要的作用。
07:26
There's something special特別
about the structure結構體 -- the order訂購 --
129
434280
4160
關於一個活細胞內的結構---秩序---,
07:30
inside a living活的 cell細胞.
130
438464
1560
有某些很特殊的地方。
07:32
So, Schr薛定諤ödinger薛定諤 speculated推測 that maybe
quantum量子 mechanics機械學 plays播放 a role角色 in life.
131
440048
5293
因此,Schrödinger推測量子力學
也許在生命中扮演重要角色。
07:38
It's a very speculative投機,
far-reaching深遠 idea理念,
132
446096
3425
這是一個意義深遠的猜想,
07:41
and it didn't really go very far.
133
449545
2873
但這個猜想並沒有走多遠。
07:45
But as I mentioned提到 at the start開始,
134
453536
1533
但就像我一開始提到的,
07:47
in the last 10 years年份, there have been
experiments實驗 emerging新興,
135
455093
2799
在過去的十年中,
已經有一些新興的實驗,
07:49
showing展示 where some of these
certain某些 phenomena現象 in biology生物學
136
457916
4055
證明了生物學中的某些特定的現象
07:53
do seem似乎 to require要求 quantum量子 mechanics機械學.
137
461995
1763
的確需要量子力學來解釋。
07:55
I want to share分享 with you
just a few少數 of the exciting扣人心弦 ones那些.
138
463782
3123
我想與大家分享幾個
令人興奮的現象。
08:00
This is one of the best-known最有名的
phenomena現象 in the quantum量子 world世界,
139
468215
3707
這是一個量子世界中
最著名的現象之一,
08:03
quantum量子 tunneling隧道.
140
471946
1701
叫量子隧穿。
08:05
The box on the left shows節目
the wavelike波浪, spread-out擴散;傳播開 distribution分配
141
473671
4389
左邊的方框中顯示的是
一個量子實體的波狀,
08:10
of a quantum量子 entity實體 --
a particle粒子, like an electron電子,
142
478084
2761
散開分布形態---
它是個電子一樣的粒子,
08:12
which哪一個 is not a little ball
bouncing蹦蹦 off a wall.
143
480869
3637
而不是一個從墻面彈開的小球。
08:16
It's a wave that has a certain某些 probability可能性
of being存在 able能夠 to permeate滲透
144
484530
4739
這個波紋有一定的可能性能夠穿過,
08:21
through通過 a solid固體 wall, like a phantom幻影
leaping跳躍 through通過 to the other side.
145
489293
3406
一面實墻,
像一個幽靈一樣躍過了另一邊。
08:24
You can see a faint smudge弄髒 of light
in the right-hand右手 box.
146
492723
4098
大家可以看到右邊的方框中
有一絲微弱的光痕。
08:29
Quantum量子 tunneling隧道 suggests提示 that a particle粒子
can hit擊中 an impenetrable費解的 barrier屏障,
147
497773
4612
量子隧穿現象說明
粒子在撞不可穿透的障礙物,
08:34
and yet然而 somehow不知何故, as though雖然 by magic魔法,
148
502409
2460
可以不明原因地,
像施了魔法般,
08:36
disappear消失 from one side
and reappear再現 on the other.
149
504893
2444
從一端消失並重新出現在另一端。
08:39
The nicest最好 way of explaining說明 it is
if you want to throw a ball over a wall,
150
507658
4251
這個現象最好的解釋是,
如果你想把球扔到墻那邊去,
08:43
you have to give it enough足夠 energy能源
to get over the top最佳 of the wall.
151
511933
3577
你必須給它足夠的力量
讓它跳過墻頭。
08:47
In the quantum量子 world世界,
you don't have to throw it over the wall,
152
515534
3058
在量子的世界裏,
你就沒必要非要把球扔過墻頭,
08:50
you can throw it at the wall,
and there's a certain某些 non-zero非零 probability可能性
153
518616
3407
你可以把球扔向墻面,
然後有一定的非零概率
08:54
that it'll它會 disappear消失 on your side,
and reappear再現 on the other.
154
522047
3323
使它消失在你這邊,
繼而在另一邊重現。
08:57
This isn't speculation推測, by the way.
155
525394
1678
對了,提醒一下,這不是推測。
08:59
We're happy快樂 -- well, "happy快樂"
is not the right word --
156
527096
3396
我們很高興---好吧,
“高興”不是一個恰當的表達。
09:02
(Laughter笑聲)
157
530516
2045
(觀眾笑聲)
09:04
we are familiar with this.
158
532585
1618
我們對此非常熟悉。
09:06
(Laughter笑聲)
159
534227
2745
(觀眾笑聲)
09:08
Quantum量子 tunneling隧道
takes place地點 all the time;
160
536996
2294
量子隧穿一直都在發生;
09:11
in fact事實, it's the reason原因 our Sun太陽 shines.
161
539314
2667
事實上,它就是我們能看到
陽光普照的原因。
09:14
The particles粒子 fuse保險絲 together一起,
162
542655
1509
顆粒熔合在一起,
09:16
and the Sun太陽 turns hydrogen
into helium through通過 quantum量子 tunneling隧道.
163
544188
3698
然後太陽通過量子隧穿把氫變成氦。
09:21
Back in the 70s and 80s, it was discovered發現
that quantum量子 tunneling隧道 also takes place地點
164
549464
5220
在七八十年代的時候,
人們發現量子隧穿還發生在
09:26
inside living活的 cells細胞.
165
554708
1192
活細胞內部。
09:28
Enzymes, those workhorses工作母機 of life,
the catalysts催化劑 of chemical化學 reactions反應 --
166
556290
6266
酶,是生命的老黃牛,
是化學反應的催化劑---
09:34
enzymes are biomolecules生物分子 that speed速度 up
chemical化學 reactions反應 in living活的 cells細胞,
167
562580
4166
作為生物分子,
酶加速了活細胞中的化學反應,
09:38
by many許多, many許多 orders命令 of magnitude大小.
168
566770
1703
借助的是很多數量級上的指令。
09:40
And it's always been a mystery神秘
how they do this.
169
568497
2784
而且我們一直不知道
酶是如何做到這一點的。
09:43
Well, it was discovered發現
170
571650
1189
好,人們還發現
09:44
that one of the tricks技巧 that enzymes
have evolved進化 to make use of,
171
572863
4852
酶在進化時用到的一個小把戲,
09:49
is by transferring轉移 subatomic亞原子 particles粒子,
like electrons電子 and indeed確實 protons質子,
172
577739
5228
就是將像電子,
實際上是質子一樣的亞原子粒子,
09:54
from one part部分 of a molecule分子
to another另一個 via通過 quantum量子 tunneling隧道.
173
582991
4661
通過量子隧穿送分子的一個部位
轉移到另一個部位。
10:00
It's efficient高效, it's fast快速,
it can disappear消失 --
174
588333
2851
這個過程效率很高,
很快,它可以消失---
10:03
a proton質子 can disappear消失 from one place地點,
and reappear再現 on the other.
175
591208
3111
一個質子可以從一個地方消失,
然後出現在另一個地方。
10:06
Enzymes help this take place地點.
176
594343
1629
酶可以促進這一切的發生。
10:08
This is research研究 that's been
carried攜帶的 out back in the 80s,
177
596548
2683
這項研究是80年代做的,
10:11
particularly尤其 by a group
in Berkeley伯克利, Judith朱迪思 KlinmanKlinman.
178
599255
4037
研究者主要來自伯克萊,
由 Judith Klinman 領導。
10:15
Other groups in the UK聯合王國
have now also confirmed確認
179
603316
2205
英國的其他實驗組現在也證實了
10:17
that enzymes really do this.
180
605545
1411
酶的確可以做到以上這些。
10:21
Research研究 carried攜帶的 out by my group --
181
609048
2549
我的實驗組做了研究---
10:23
so as I mentioned提到,
I'm a nuclear physicist物理學家,
182
611621
2434
我之前說過,
我是一個核物理學家。
10:26
but I've realized實現 I've got these tools工具
of using運用 quantum量子 mechanics機械學
183
614079
3055
但是我意識到,我在原子核中
使用量子力學時積累的方法工具
10:29
in atomic原子 nuclei原子核, and so can apply應用
those tools工具 in other areas as well.
184
617158
5085
也同樣可以很好地應用在
其他領域的研究中。
10:35
One question we asked
185
623404
1810
我們問過一個問題,
10:37
is whether是否 quantum量子 tunneling隧道
plays播放 a role角色 in mutations突變 in DNA脫氧核糖核酸.
186
625238
4298
量子隧穿是否在DNA突變中起作用。
10:41
Again, this is not a new idea理念;
it goes all the way back to the early 60s.
187
629843
3660
同樣,這也不是一個新觀點;
早在60年代早期人們就提出過。
10:45
The two strands of DNA脫氧核糖核酸,
the double-helix雙螺旋 structure結構體,
188
633527
2961
DNA的兩條鏈,
就是雙螺旋結構,
10:48
are held保持 together一起 by rungs梯級;
it's like a twisted扭曲 ladder階梯.
189
636512
2823
像階梯一樣盤旋在一起,
像一個扭曲的梯子。
10:51
And those rungs梯級 of the ladder階梯
are hydrogen bonds債券 --
190
639359
3507
那些梯子的階梯是氫鍵---
10:54
protons質子, that act法案 as the glue
between之間 the two strands.
191
642890
3790
質子,
就像是兩條鏈之間的粘合劑。
10:58
So if you zoom放大 in, what they're doing
is holding保持 these large molecules分子 --
192
646704
4750
因為當你放大來看,
能看見它們正在將這些大分子---
11:03
nucleotides核苷酸 -- together一起.
193
651478
1607
核甘酸---聚合在一起。
11:06
Zoom放大 in a bit more.
194
654130
1150
再放大一點。
11:07
So, this a computer電腦 simulation模擬.
195
655304
1916
所以,這是一個計算機模擬圖。
11:09
The two white白色 balls
in the middle中間 are protons質子,
196
657855
3542
中間的兩個白球是質子,
11:13
and you can see that
it's a double hydrogen bond.
197
661421
2299
而且大家可以看到這是一個雙氫鍵。
11:15
One prefers喜歡 to sit on one side;
the other, on the other side
198
663744
3314
一個選擇坐在這邊;
另一個選擇兩條鏈的另一邊。
11:19
of the two strands of the vertical垂直 lines
going down, which哪一個 you can't see.
199
667082
4558
沿著垂直線上的兩條鏈向下,
大家就看不到了。
11:24
It can happen發生 that
these two protons質子 can hop over.
200
672410
3395
有一種情況就是
這兩個質子可能會跳另一邊。
11:27
Watch the two white白色 balls.
201
675829
1436
看一下這兩個白球。
11:29
They can jump over to the other side.
202
677748
1998
他們可以跳到另一邊去。
11:32
If the two strands of DNA脫氧核糖核酸 then separate分離,
leading領導 to the process處理 of replication複製,
203
680239
5646
如果DNA的兩條鏈分開,
導致了複製的過程,
11:37
and the two protons質子
are in the wrong錯誤 positions位置,
204
685909
3199
那麽這兩個質子就處於錯誤的位置,
11:41
this can lead to a mutation突變.
205
689132
1763
這就能導致突變的產生。
11:43
This has been known已知 for half a century世紀.
206
691204
1872
大家已經知道這個事有半個世紀了。
11:45
The question is: How likely容易
are they to do that,
207
693100
2343
但問題是:
它們這樣做的可能性有多大,
11:47
and if they do, how do they do it?
208
695467
2378
而且如果它們做了,
是怎麽做的呢?
11:49
Do they jump across橫過,
like the ball going over the wall?
209
697869
3019
它們會不會像小球翻墻那樣跳過去?
11:52
Or can they quantum-tunnel量子隧道 across橫過,
even if they don't have enough足夠 energy能源?
210
700912
3502
或者它們是不是發生了量子隧穿,
即使它們沒有足夠的力量?
11:57
Early indications適應症 suggest建議 that
quantum量子 tunneling隧道 can play a role角色 here.
211
705089
4252
早期的種種跡象說明,
量子隧穿可以在這起到作用。
12:01
We still don't know yet然而
how important重要 it is;
212
709365
2124
但我們還是不知道它到底有多重要;
12:03
this is still an open打開 question.
213
711513
1792
這仍是一個討論中的問題。
12:06
It's speculative投機,
214
714199
1150
它很有推測的空間,
12:07
but it's one of those questions問題
that is so important重要
215
715373
2643
但它卻是一個很重要的問題,
12:10
that if quantum量子 mechanics機械學
plays播放 a role角色 in mutations突變,
216
718040
2446
重要到,
如果量子力學在突變中起作用,
12:12
surely一定 this must必須 have big implications啟示,
217
720510
2299
這絕對對於理解某些突變的類型
12:14
to understand理解 certain某些 types類型 of mutations突變,
218
722833
2694
甚至有可能是
那些導致癌細胞的突變類型,
12:17
possibly或者 even those that lead
to turning車削 a cell細胞 cancerous癌的.
219
725551
3756
有十分重大的意義。
12:22
Another另一個 example of quantum量子 mechanics機械學
in biology生物學 is quantum量子 coherence相干性,
220
730803
5299
生物學中的另一個
量子力學的例子是量子相干性,
12:28
in one of the most
important重要 processes流程 in biology生物學,
221
736126
2353
存在於生物學中
一個最重要的過程之一,
12:30
photosynthesis光合作用: plants植物
and bacteria taking服用 sunlight陽光,
222
738503
3941
光合作用:植物和細菌吸收光照,
12:34
and using運用 that energy能源 to create創建 biomass生物質.
223
742468
2954
並用此能量來創造生物。
12:38
Quantum量子 coherence相干性 is the idea理念
of quantum量子 entities實體 multitasking多任務處理.
224
746215
4152
量子相干性是關於
量子實體進行多種任務的理念。
12:42
It's the quantum量子 skier滑雪者.
225
750912
1604
它就是一個量子滑雪者。
12:44
It's an object目的 that behaves的行為 like a wave,
226
752540
2952
它是一個像波紋的物體,
12:47
so that it doesn't just move移動
in one direction方向 or the other,
227
755516
2902
因此它不僅是
向一個或另一個方向移動,
12:50
but can follow跟隨 multiple pathways途徑
at the same相同 time.
228
758442
3320
它能夠同時在多種路徑上運動。
12:54
Some years年份 ago,
the world世界 of science科學 was shocked吃驚
229
762708
3916
幾年以前,
有一件事情讓全球科學界震驚:
12:58
when a paper was published發表
showing展示 experimental試驗 evidence證據
230
766648
3584
一篇發表論文中展示了實驗證據,
13:02
that quantum量子 coherence相干性
takes place地點 inside bacteria,
231
770256
3776
證明量子相干性在細菌內部發生,
13:06
carrying攜帶 out photosynthesis光合作用.
232
774056
1686
進行光合作用。
13:07
The idea理念 is that the photon光子,
the particle粒子 of light, the sunlight陽光,
233
775766
3064
這個觀點相當於:
質子,作為光、太陽光的顆粒,
13:10
the quantum量子 of light
captured捕獲 by a chlorophyll葉綠素 molecule分子,
234
778854
3344
作為光的量子,
被一個葉綠素分子捕捉到,
13:14
is then delivered交付 to what's called
the reaction反應 center中央,
235
782222
2591
然後被運送到了
一個所謂的反應中心,
13:16
where it can be turned轉身 into
chemical化學 energy能源.
236
784837
2064
在那裏,它變成了化學能量。
13:18
And in getting得到 there,
it doesn't just follow跟隨 one route路線;
237
786925
2648
而且為了到達那裏,
它不止沿著一條路徑運動,
13:21
it follows如下 multiple pathways途徑 at once一旦,
238
789597
2215
它同時走了多種路徑,
13:23
to optimize優化 the most efficient高效 way
of reaching到達 the reaction反應 center中央
239
791836
4337
來優化出到達
反應中心的效率最高的路徑。
13:28
without dissipating散熱 as waste浪費 heat.
240
796197
1721
在這個過程中
並沒有耗掉多余的熱量。
13:31
Quantum量子 coherence相干性 taking服用 place地點
inside a living活的 cell細胞.
241
799228
3309
量子相干性發生在一個活細胞內。
13:34
A remarkable卓越 idea理念,
242
802561
2120
這是一個了不起的理念,
13:36
and yet然而 evidence證據 is growing生長 almost幾乎 weekly每週,
with new papers文件 coming未來 out,
243
804705
6235
而且證據幾乎是每週都隨著
新論文的發表出現,
13:42
confirming確認 that this
does indeed確實 take place地點.
244
810964
2212
來證實量子相干性的確在發生。
13:45
My third第三 and final最後 example
is the most beautiful美麗, wonderful精彩 idea理念.
245
813555
4739
我的第三個也是最後一個例子
是一個最美妙絕倫的觀點。
13:50
It's also still very speculative投機,
but I have to share分享 it with you.
246
818318
4063
這個觀點也是推測性的,
但我還是要與大家分享。
13:54
The European歐洲的 robin知更鳥
migrates遷移 from Scandinavia斯堪的納維亞
247
822405
4612
歐洲的知更鳥
每個秋天都從斯堪地維亞
13:59
down to the Mediterranean地中海, every一切 autumn秋季,
248
827041
2635
南下遷徒到地中海,
14:01
and like a lot of other
marine海洋 animals動物 and even insects昆蟲,
249
829700
3373
像許多其他的海洋動物
甚至昆蟲一樣,
14:05
they navigate導航 by sensing傳感
the Earth's地球 magnetic磁性 field領域.
250
833097
4300
牠們通過感應地球的磁場來導航。
14:10
Now, the Earth's地球 magnetic磁性 field領域
is very, very weak;
251
838968
2427
現在,地球的磁場非常非常的微弱,
14:13
it's 100 times weaker較弱
than a fridge冰箱 magnet磁鐵,
252
841419
2080
比一個冰箱貼的磁場要弱100倍,
14:15
and yet然而 it affects影響 the chemistry化學 --
somehow不知何故 -- within a living活的 organism生物.
253
843523
5601
但是它卻以某種方式地影響了
一個有機生命體中的化學。
14:21
That's not in doubt懷疑 --
a German德語 couple一對 of ornithologists鳥類學家,
254
849932
3806
這點是毫無疑問的---
一對德國的鳥類學家夫婦,
14:25
Wolfgang沃爾夫岡 and Roswitha羅斯維塔 WiltschkoWiltschko,
in the 1970s, confirmed確認 that indeed確實,
255
853762
4260
Wolfgang和Roswitha Wiltschko,
在20世紀70年代證實,
14:30
the robin知更鳥 does find its way by somehow不知何故
sensing傳感 the Earth's地球 magnetic磁性 field領域,
256
858046
3977
知更鳥確實通過
感知地球磁場來找路,
14:34
to give it directional定向 information信息 --
a built-in內建的 compass羅盤.
257
862047
3327
獲得方向性的資訊---
像一個內置的指南針。
14:37
The puzzle難題, the mystery神秘 was:
How does it do it?
258
865398
2249
令我們疑惑的是:
牠是如何做到的?
14:40
Well, the only theory理論 in town --
259
868351
3030
好,唯一盛行的理論---
14:43
we don't know if it's the correct正確 theory理論,
but the only theory理論 in town --
260
871405
3436
我們不知道它是否正確,
但卻是唯一一個為人所知的理論---
14:46
is that it does it via通過 something
called quantum量子 entanglement糾葛.
261
874865
2984
是知更鳥是通過某種叫做
量子糾纏的現象做到的。
14:50
Inside the robin's羅賓 retina視網膜 --
262
878567
2374
在知更鳥的視網膜裏---
14:52
I kid孩子 you not -- inside the robin's羅賓 retina視網膜
is a protein蛋白 called cryptochrome,
263
880965
4232
這不是玩笑---
知更鳥的視網膜中有種隱色素蛋白,
14:57
which哪一個 is light-sensitive光敏感.
264
885221
1380
它對光很敏感。
14:58
Within cryptochrome, a pair of electrons電子
are quantum-entangled量子糾纏.
265
886625
3939
在隱色素內,
一對電子發生量子糾纏。
15:02
Now, quantum量子 entanglement糾葛
is when two particles粒子 are far apart距離,
266
890588
3232
現在,我們理解量子糾纏
是兩個分離甚遠的粒子
15:05
and yet然而 somehow不知何故 remain
in contact聯繫 with each other.
267
893844
2834
卻以某種方式保持著彼此的聯系,
15:08
Even Einstein愛因斯坦 hated this idea理念;
268
896991
1446
甚至於愛因斯坦都討厭這個觀點;
15:10
he called it "spooky幽靈般的 action行動
at a distance距離."
269
898461
2039
他把這個叫做
「遠距離的幽靈行動」。
15:12
(Laughter笑聲)
270
900524
1881
(觀眾笑聲)
15:14
So if Einstein愛因斯坦 doesn't like it,
then we can all be uncomfortable不舒服 with it.
271
902429
3443
如果連愛因斯坦都不喜歡它,
那我們或許都對此感到不適。
15:17
Two quantum-entangled量子糾纏 electrons電子
within a single molecule分子
272
905896
2853
兩個發生量子糾纏的電子
在一個單獨的分子內
15:20
dance舞蹈 a delicate精巧 dance舞蹈
273
908773
1471
跳著微妙的舞蹈,
15:22
that is very sensitive敏感
to the direction方向 the bird flies蒼蠅
274
910268
2541
這對於鳥在地球磁場中飛往的方向
15:24
in the Earth's地球 magnetic磁性 field領域.
275
912833
1531
是非常敏感的。
15:26
We don't know if it's
the correct正確 explanation說明,
276
914848
2610
我們不知道這是不是正確的解釋,
15:29
but wow, wouldn't不會 it be exciting扣人心弦
if quantum量子 mechanics機械學 helps幫助 birds鳥類 navigate導航?
277
917482
4544
但是,如果量子力學能幫鳥類導航,
這該是多麽激動人心的事情啊?
15:35
Quantum量子 biology生物學 is still in it infancy嬰兒期.
278
923069
2721
量子生物學仍然處於初級階段。
15:37
It's still speculative投機.
279
925814
3484
仍然處於推測階段。
15:41
But I believe it's built內置 on solid固體 science科學.
280
929742
3849
但是我相信它是建立在
紮實的科學基礎上的。
15:45
I also think that
in the coming未來 decade or so,
281
933917
3809
我也認為在未來的十年左右,
15:49
we're going to start開始 to see
that actually其實, it pervades瀰漫 life --
282
937750
4841
我們會看到這一領域
實實在在地充斥於生命中---
15:54
that life has evolved進化 tricks技巧
that utilize利用 the quantum量子 world世界.
283
942615
4596
生命會利用量子世界中的一切
來進化發展。
16:00
Watch this space空間.
284
948026
1428
請大家一起關注。
16:01
Thank you.
285
949478
1157
謝謝大家!
16:02
(Applause掌聲)
286
950659
2202
(掌聲)
Translated by Winnie Zhang
Reviewed by lin quan

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ABOUT THE SPEAKER
Jim Al-Khalili - Quantum physicist
Physicist Jim Al-Khalili and co-author Johnjoe McFadden, a biologist, explore the far edges of quantum biology in their book "Life on the Edge."

Why you should listen
A professor of physics at the University of Surrey, Jim Al-Khalili doubles as a science communicator and broadcaster. He’s the co-author with Johnjoe McFadden of Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. The book explores this emerging -- and still largely speculative -- area of science suggesting that quantum mechanics may play a role in biology. If so, it may help us understand what drives genetic mutations that lead to cancer, or how robins fly from Scandinavia to the Mediterranean.
More profile about the speaker
Jim Al-Khalili | Speaker | TED.com