第三章 量子的智慧選擇
量子力學裏有很多現代物理學無法解釋的現象，包括量子深層的本質及量子世界真正的組成。而量子超光速糾纏，量子曆史求和等都表現出量子與傳統物理學不一樣的特性。研究發現，在雙縫實驗，時間延遲實驗中，觀察者的觀察行為本身會影響量子的行為。在實驗中電子，光子做出智慧一樣的選擇，量子表現神奇的智能化一麵。而現代對於生物的研究，也說明了量子參與了生命的構成，能量的吸收與生命的運作。任何物質，生物，細胞以及細胞裏的有機物質本質正是有多量子聚合而來的。
第一節 量子的智慧選擇
構成生命的基礎，比如碳、氫、氧等，世界所有物質都是由分子構成，或直接由原子構成，原子指化學反應的基本微粒，原子在化學反應中是不可分割。
原子直徑的數量級大約是10-10米。原子質量極小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布著電子，電子決定了一個元素的化學性質，並且對原子的磁性有著很大的影響。所有質子數相同的原子組成元素，每一種元素至少有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。質子數=電子數，因此正負抵消，原子就不顯電，原子是個空心球體，原子中大部分的質量都集中在原子核上，電子幾乎不占質量，通常忽略不計。 假如原子核是葡萄那麽大，那麽整個原子就有200米左右，原子的大部分空間是不斷運動的電磁場，不斷運動的電子好比這個200米運動場的一粒沙子，而質子大小好比一個米粒。當然在量子概念裏，它們真正的含義是不確定的。
基本粒子要比原子、分子小得多，現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。
質子、中子的大小，隻有原子的十萬分之一。而輕子和誇克的尺寸更小，還不到質子、中子的萬分之一。粒子的質量是粒子的另外一個主要特征量。按照粒子物理的規範理論，所有規範粒子的質量為零，而規範不變性以某種方式被破壞了，使誇克、帶電輕子、中間玻色子獲得質量。現有的粒子質量範圍很大。光子、膠子是無質量的，電子質量很小，π介子質量為電子質量的280倍；質子、中子都很重，接近電子質量的2000倍，已知最重的粒子是頂誇克。已發現的六種誇克，從下誇克到頂誇克，質量從輕到重。中微子的質量非常小，目前已測得的電子中微子的質量為電子質量的七萬分之一，已非常接近零。
在國際當前流行的量子構成方麵，被科學檢驗的最成功的是粒子模型，粒子模型是指物質構成單元有不可再分割的粒子構成，粒子模型中基本粒子，在誇克模型提出後，人們認識到基本粒子也有複雜的結構，故現在一般不提“基本粒子”這一說法。根據作用力的不同，粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。
1905年和1915年，愛因斯坦分別提出狹義相對論和廣義相對論震驚了世界。
相對論是對牛頓的萬有引力提出新的升華，把宇宙表述為時間與空間糾纏一起的四維空間，從此奠定了其物理界的偉大定位。
但是在1927年、1930年兩屆物理學盛會的索維爾會議中，關於量子力學的辯論，愛因斯坦兩次都被以玻爾為首的哥本哈根派打敗。愛因斯坦強調量子世界的因果關係，而哥本哈根派強調量子世界的不確定性。愛因斯坦由於被羞辱，從此走上了大統一理論的研究上來，試圖尋找新的理論，把相對論與量子力學聯係起來。
除了在哲學觀念的衝突之外，相對論與量子理論的衝突主要表現在三個方麵，普朗克長度一下的10-34厘米空間裏，就會引發量子泡沫，而在宇宙大爆炸的開端以及黑洞，都需要相對論與量子力學結合起來，但是在這些方麵相對論與量子力學都是矛盾的。
霍金在他的《時間簡史》中坦言，當今世界上可能會有些人在有生之年，發現大統一理論。但這個大統一理論並不是愛因斯坦最初想的大統一理論，不可能通過一個簡單的美妙的公式來描述和預測宇宙中的每一件事情。因為宇宙是確定性和不確定性相互統一的，量子理論中測不準原理體現了不確定性。
現代物理學證據證明，量子力學並非不確定，電子可以分裂說明愛因斯坦的疑問並非完全錯誤，而愛因斯坦研究大統一理論，也是準備用新理論代替統一量子力學與相對論。至少愛因斯坦本人認為相對論並非完美，正如他所認為的量子力學不完美一樣。宇宙的深層裏麵，微觀量子世界與宏觀相對論時空世界，必然產生聯係。當然新理論還要囊括占據宇宙23%的暗物質與73%的暗能量。
粒子的雙重屬性粒子性和波動性：微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動性。描述粒子的粒子性和波動性的雙重屬性，以及粒子的產生和消滅過程的基本理論是量子場論。量子場論和規範理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。
量子的智慧選擇：量子實驗本身證明了光子，電子或者60個碳分子組成的巴基球的一些不可思議的一麵，比如在雙縫實驗中，一個光子或者電子，能夠同時穿越兩條縫隙，而曆史求和表明量子在傳播過程中具有千萬個路徑，在分光延遲實驗中，光子在傳播中，光表現出了智慧性，光子似乎看見有人或者物質擋在光子分光的另一條路徑上，於是提前就沒有通過該路徑。而在電子雙縫實驗中，當有人在一邊放上一個攝像機，試圖記錄電子傳播路徑的時候，電子似乎知道有人在看，於是選擇了另一種傳播方式，攝像機的觀察影響了電子的選擇，這也正是人類對量子不可了解性之一。讓我們看看這幾個經典實驗，並了解量子的神奇性。
雙縫實驗
托馬斯·楊的光實驗的現代版被稱為雙縫實驗。
此實驗顯示，從一個波源發出的一列波，然後這一列波通過開有一對相距很近的狹縫的擋板，通過擋板後兩條波的發生衍射，在擋板後遠端區域內擴散開來投射到屏幕上，有的點波峰遇波峰，波穀遇波穀產生幹涉相長。有的點在這裏波穀將與波峰相遇，從而產生幹涉相消。全部的結果就是屏上出現的明暗相間的條紋，這是波動性強有力的證據。如果用電子，60個碳原子組成的巴基球代替光，那麽也會出現類似結果。
單電子雙縫幹涉實驗——如果采取控製手段，單獨的一個個發射電子，或者使用弱光源，每次隻讓一個光子或者電子等（粒子）通過裝置，如圖034。
實驗裝置用微小粒子探測器代替屏幕，可對到達的單電子或者光子進行標記。這種單粒子雙縫實驗效果，如圖035所示。
這種單粒子雙縫實驗揭示了量子物理奇異性，在此實驗實現之前，玻爾與愛因斯曾經為此爭論了幾十年。後來，隨著電子技術和探測器技術的發展，這一實驗得以實現，並震驚了所有人，無論他是否是科學家。
這一實驗過程是，將電子或者光子一個個向雙縫發射，電子（光子）也將在探測器陣列中某一隨機點顯示。一直持續下去，一個電子（光子）接一個電子（光子）地發射。一開始看起來是隨機的，但是發射幾十個上百個電子（光子）之後，將開始出現新的現象，大部分光子的著陸點正是波動理論所預言的幹涉加強處（這些著陸點大部分處在擋板的“陰影”處）。
少數光子出現在波動理論預言的幹涉部分相消處，波動理論預言的幹涉完全相消處則沒有光子到達。隨著持續不斷，成千上百萬的光子通過裝置後，探測器陣列上將會出現清晰的明暗條紋，與波動理論預設的完全一致。
非常奇怪，人們產生質疑，是什麽導致了這種現象？這個看起來隨機與無法預測的，電子或者光子實驗，一個個單獨發射，但是結果卻出現了清晰簡單的與光波一樣的圖樣，人們想問：一個電子或者光子到底是通過哪個狹縫？光子如何“知道”哪裏適合著陸，哪裏不適合著陸？是什麽決定著光子最後的選擇哪個著陸點呢？為什麽就單獨兩個光子來說，在理論上是全同的，但是行為上卻並不完全相同，不能同時著陸一點呢？與觀測結果和量子理論以及一係列實驗相符合的唯一解釋是，每個單獨的電子或者光子（包括巴基球）從光源出發到探測器的過程像波一樣運動，每個光子同時通過兩個縫，光子產生於一點，探測時也是一點，從光子產生到被探測到（實際是它湮滅）之間，它的行為像波。這就是波粒二象性的本質。此外，概率在這一圖像中出現了，光子並不知道在哪裏著陸，它隻知道在不同點著陸的概率：波動理論預言的幹涉相長處概率大，波動理論預言的幹涉相消處概率小。在這裏單個光子——同時通過兩個縫——會發生衍射並且會發生幹涉，觀測者無論什麽時候看一個光子（也就是說看探測器，或者你眼睛的視網膜實際記錄的光子），它都是一個點。你不看的時候，它就會鬼使神差地像經典理論中的電磁波一樣成為波在空間中傳播。
電子雙縫偵測實驗
為了更好的觀察粒子軌跡，科學家電子把粒子源換成電子發射設備，也會出現以上所有現象，當單個電子發射的時候，電子同時通過了兩條縫，與自己幹涉。
科學家想知道，電子到底通過了兩條狹縫的那條縫，於是如圖036，在一條狹縫放置了一台叫狹縫偵測器的觀察設備，當他們開始觀察時，神奇的事情發生了。電子開始變得象個小球，在後麵屏幕上打出痕跡，但幹涉圖像消失了。電子好像意識到有人觀察他，然後選擇了不同的路徑。
如果粒子源換成光子，也同樣
如上用狹縫偵測器觀測，我們所熟悉的幹涉圖案，也立刻就會消失不見，轉而改變成另外一種圖案。
因為按照一些科學家的假設
猜想，使用偵測器這個動作，涉及了光子與狹縫偵測器之間的相互作用。這種行為改變了電子（光子）的量子態。假設，兩個同頻率的電子或者光子，在同時間被發射出來，則這兩個粒子是同調的。將狹縫偵測器關掉，則兩個同調粒子，都會不被幹擾地經過狹縫，同調地抵達偵測屏。可是，假設我們將狹縫偵測器打開，而兩個同調粒子之中的一個粒子，被狹縫偵測器偵側到，則由於粒子與狹縫偵測器之間的相互作用，兩個粒子不再同調，不再互相幹涉。所以，偵測屏的幹涉圖案會消失不見。
根據哥本哈根解釋，當我們不去探究電子到底通過了哪條縫，它就同時通過雙縫而產生幹涉，反之，它就確實地通過一條縫而順便消滅幹涉圖紋。
近幾年來的科學研究更進一步地發現，幹涉現象並不隻限製於電子、光子，還涉及到像質子、中子等等這些基本粒子。雙縫實驗使用大分子構造，像巴基球富勒烯（C60），也能夠產生類似的幹涉圖案。
曆史求和
在宏觀物理學領域，每個粒子都有一個明確的痕跡，但是在量子世界裏，每個粒子沒有明確的路徑，著名的物理學家費恩曼於是推出曆史求和的概念。微觀量子世界，從粒子源到屏幕不是沒有路徑，而是意味著每條路徑，如圖037。
這就是量子世界與宏觀牛頓物理世界的區別。這意味著粒子在雙縫實驗中，可能通過第一道縫隙，然後又穿過第二條縫隙；或者隻通過其中一條路徑；或者粒子去了廣東的一個飯店，回來之前然後又去了南極； 或者從地球A穿越B 火星， 宇宙， 再返回。這就解釋了粒子如何知道穿越了那條縫隙。如果隻開放一條路徑，粒子就穿越這條縫隙， 如果開放兩條路徑，粒子就會兩條路徑都穿越，然後產生幹涉。同時地球A到火星B的粒子路徑也是多樣的。這聽起來非常奇怪，但是目前來看，這就是最合理的解釋。
延遲選擇
提出黑洞、量子泡沫、真子等很多知名概念的著名物理學惠勒為了檢測量子世界的不可思議的特性。通過一個戲劇化的思維實驗指出，我們可以“延遲”光子的這一決定，使得它在已經實際通過了雙縫屏幕之後，再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條！
約翰·惠勒是一位90歲的老頑童，他對人非常親切和友善。他通常總是麵帶著微笑並且有時還會向他經過的所有人揮手致意，並與學生合作出版物理學著作。
惠勒雖然沒有獲得諾獎，但是他的物理學思維卻贏得人們尊敬，他第一個提出黑洞概念；引入了極小時間與極小距離的普朗克尺度，並在此尺度極限下引入“量子泡沫”概念（既時空在10-35米空間距離與10-45秒的時間間隔上的動**）；他提出質樸性原則，提出沒有質量的質量，沒有電荷的電荷；他提出真子概念（光子高密度集中以至於全部光子繞著共同的中心轉動，這些光子是通過自身引力來保持軌道運動的）；關於宇宙深度他提出“一切源於信息”（真實宇宙世界“一切”可能最終都基於信息），惠勒開創了量子信息理論的新紀元，同時也因為他的多角度創新哲學觀點而受到物理學界的尊敬。
惠勒在1978年提出的一個超出當時水平的延遲實驗檢驗量子世界，現在已經在很多實驗室實現了這一實驗。該實驗是在一個光子離開光源較長時間後，允許一名實驗者決定這個光子是應該沿著單一軌跡進入探測器，還是沿著兩條疊加軌跡進入探測器。
如圖39所示，在光源出發點A直角處有一個半透半反射鏡。C，B處都有反射鏡。每個光子都有50%機會到達左探測器，50%機會到達右探測器。
為了描述這一實驗，在A處後麵偏離一側建立光源，可向A處上方的半透半反鏡發射光子束。半透辦反射鏡是一塊鍍有很薄一層銀的玻璃，隻能將照射到其上的光反射一半，而讓另一半光通過，那麽單個光子就有50%的機會被反射，還有50%的機會通過。還有另外一種情況：那就是一個打到半透半反鏡上的光子將既反射又透射其波函數是分散的。光子在打到半透半反鏡上後，將處於兩種不同傳播方向的疊加態。
建立起的半透半反鏡可以使透過的光到達B處，被它反射的光則到達C處（如圖039）。在上述兩處放置了全反鏡，這樣所有光線（或者說所有光子）都會被反射到D處，在D處上方什麽都不放，在D的左右分別放有探測器，這些探測器能夠記錄到達的光子（所有光子！）。比如右探測器發出一次嘀嗒叫聲就說明從C處打來一個光子，從左側探測器發出聲音則說明從B處打來一個光子。現在，還沒有態疊加的明顯證據——從概率進行的測量來說，左右兩側將會各探測到一半光子。
現在，讓我們來證實光子確實同時沿著兩條軌跡運動：我們用一個半透半反鏡放置在D處上方，這樣來自B處的光有一半會被反射到右邊，另一半則會直接透射到左邊。而來自C處的光則有一半被反射到左邊，另一半直接透射到右邊。
如圖040所示，通過仔細擺放該半透半反鏡可以使兩束射向右側的光發生相消幹涉，而兩束射向左側的光發生相長幹涉。那麽光都將抵達左側，向右側傳播的光波將彼此相消，向左側傳播的光波將彼此加強。在上述情況不動的情況下，如果光源發射的是一個個單獨的光子，左側的探測器不斷發生嘀嗒聲，這說明不斷有光子到達那裏，而右側的探測器則沒有任何聲音。這說明，每一個光子都是同時沿著兩條軌跡運動的。所有光子都抵達右側的現象隻能通過光子波函數（或振幅）進行解釋。光子的波函數先分散再匯聚，從而光子波才會與自己發生幹涉相長或幹涉相消。
現在我們做另一個選擇測試——延遲選擇，證明每個光子是沿著兩條軌跡運行的，這時候可以不在D處上方放置任何裝置。但是，為了測量顯示出每個光子的運動軌跡。我們在D處上方放置一個半透半反鏡，將光源打開一納秒，一個光子的運動速度是每納秒1英尺（1納秒的時間等於1秒的十億分之一）。在這麽短的時間內，光源也就發射出幾十個光子。然後我等待30~50納秒的時間，準備做出一個決定，等我們做出決定時，那些從光源發射出的光子已經離開光源很遠了，但是它們到D處還有點距離，所以它們還在傳播路途中。
接下來，我們想弄清楚每個光子所走的路徑。然後在D處上方什麽都不放置，統計左右兩側的探測器記錄到達的光子，每個探測器應該各記錄下一半光子。這表明到我們做開始做出決定的時候，每個光子已經被“交給”了各自的路徑，要麽通過B，要麽是通過C處。如果我們改變決定——在每個光子發射完，光子恰好處在自己路徑上之後——想弄明白是否每個光子都同時處在兩個路徑上，那麽我們將半透半反鏡放置在D處上方，通過仔細擺設透鏡，產生波的幹涉，這時所有光子都會奇跡般地要麽抵達右側探測器，要麽抵達左側探測器。這說明每個光子都與自己發生了幹涉，而且每個光子都是同時沿著兩條路徑運動的。
好，我們再換一下思路，把半透半反鏡留在D處上方，D處左右兩側各有一個探測器，並派一個人站在AB之間的路上（如圖041），結果發現，現在沒有光子（或光子波）能通過AB這條路程徑，所有到達D處的光子（或光子波）都一定是通過C處過來的。此時兩個探測器發生的嘀嗒聲頻率相同，每個從C處到達D處的光子都有50%的機會直接透射到右側，還有50%的機會被反射到左側。幹涉消除了，光子再次成為沿著特定路徑運動的單個粒子。
雖然按照現代科技， 很難驗證
在幾納秒這麽短的時間內做出“決定”。如果該實驗能在實驗室房間內進行，那麽在更大尺寸上也能進行，比如足球場上，比如幾百公裏的範圍內。正如惠勒本人所說，這種實驗沒有理由在宇宙距離上不能進行。比如從遙遠的恒星爆炸發射出的來的光，抵達地球的光有兩種可能路徑，光可以在星係E，我們可以在該星係觀察到從恒星爆炸發出的光子。如果是另一星係F，天文學家同樣會在F星係附近看到那些光子。如果天文學家在天文台裏能夠接收到來自兩個星係的光的位置放置一麵半透半反鏡，理論上沿著兩條不同路程經傳播的光將會發生幹涉，並隻在一個方向上產生可見的光子（與上述延遲實驗類似）。天文學家可以在光離開類星體幾萬年，幾百萬年，甚至幾十億年之後才決定是否尋找特定路程徑或者尋找兩條路徑之間的幹涉。這太神奇了！
但是這就是量子世界的詭秘行為，量子行為表明量子行為是概率性的，一個事件發生的世界，對事件不用的結果選擇，會產生不同的行為。
以上種種如此詭異的量子行為確實是些奇怪的現象。用愛因斯坦的話說，這太詭異了，但這卻是事實。所以物理學家費恩曼說：“我可以有把握地說，沒人能夠理解量子力學。”
有些物理學家認為雙縫實驗太令人混亂（你越思考，頭腦就越混亂——尼爾斯·玻爾語），以致於他們認為盡管量子力學取得了無數成功，且從未失敗，但仍舊是不完備的，他們相信在21世紀的某個時候——無論是下一年還是從現在起50年以後——將會出現新的理論，一種能夠包含量子理論，並且能對量子理論的成功進行解釋的理論，但是新理論必須更具“遠見卓識”。即便是不被雙縫實驗表現出的古怪所困擾的物理學家也都傾向於認為量子力學的某種內在因素沿待出現。
關於量子的本性問題，愛因斯坦認為必然存在因果關係，以玻爾為代表的哥本哈根派認為測不準，幾率問題就是量子本質，看到的就是真實的，玻姆認為，量子深層必然存在著隱蔽的關係。
愛因斯坦相信，如果量子力學是一個完備的理論，我們就能夠從量子力學方程中解讀出這個世界的“真實圖景”，即每時每刻真正存在於我們麵前的所有一切。玻爾卻指出，我們觀測得到的世界才是“真實”世界，哪怕我們觀察世界的時候必須透過一塊黑色的玻璃。實際上，玻爾堅持，這種黑暗模糊的視線本身，也跟我們看到的其他東西是一樣真實的。
玻姆的理論認為，目前量子力學之所以是一個統計理論（哥本哈根派的解釋），是因為存在還未發現的隱變量，這種隱秘關係甚至涉及到人類的意識問題。個別體係的規律，正是由它們決定。如果能找出隱變量就可以準確地決定微觀現象每一次測量的結果，而不隻是決定各種可能出現的結果的幾率。
也就是說，如果發現隱變量，那麽因果律還是存在的，“上帝不擲骰子”。
因此，愛因斯坦為了尋找因果關係，把後半生精力都用在尋找大統一理論中來。現代物理學實驗證明，電子能夠再次分裂，也能夠同時測到量子的兩種狀態，而按照本人在另一本書裏的新宇宙模型——圓轉聚合的物理模型，量子世界必然存在更深層的粒子關係，沒有絕對的真空，影響量子的因素就在深層量子中，電子、光、誇克等可能有其他更深層粒子組成的，也有可能有其他機理。量子世界必然存在著更深度的背景關係，這種背景關係與宏觀宇宙也是關聯的。隻是現代科學由於工具有限很難實驗發現。
而量子求和認為，因為測不準，幾率問題，量子軌跡無所不在，其軌跡漫步於宇宙空間，這種認識也許存在著問題，量子能夠激發更深層，微觀，快速的粒子做出反應，但是單個量子本身有其影響範圍應該是有限的。也許這會在以後的實應中發現，當電子射向中間有縫隙的屏幕的時候，電子就開始激發了深層粒子的反應，這會影響其途徑，量子能夠激發運動過程中的周圍更微觀粒子環境及其反應。
第二節 聚合而生的生命
碳結構不同的有機生命與無機物質世界生命與物質之間存在著病毒等中間體，人們不禁要問，是什麽動力促使生命得以實現？物質與生命的界限在哪裏？在第三章關於雙縫實驗與時間延遲實驗裏，介紹了量子感知與智慧選擇性。很多相對實驗證明，量子不僅僅有智慧選擇，還有記憶性和協調性。
對於生命來說碳是必不可少的生命元素。碳在地球上儲量豐富，碳不僅有豐富的有機化學合成物，而且因為碳元素之間組成結構不同，構成不同的無機物質。在無機碳物質裏，碳因為結構不同可以成為脆弱順滑的石墨，也可以變成世界最硬的鑽石，也可以變成具有催化功能的富勒烯。
而在有機碳豐富的世界裏，就拿氨基酸來說，因為不同的結構，相同分子的不同折疊，就會變形出不同的蛋白質結構（生命分子結構圖見第九章九層宇宙部分），如構成人的皮膚、骨骼、血管、神經等。有機化合物主要由碳、氫和氧元素組成。構成人體需要的脂肪、氨基酸、蛋白質、糖、血紅素、葉綠素、酶、激素等。生命體內的新陳代謝和生物的遺傳現象，都涉及到有機化合物的變化。目前人類已知的有機物達8000多萬種，數量遠遠超過無機物。對人類生活、生產有極重要的意義。
有機化合物的碳原子的結合能力非常強，互相可以結合成碳鏈或碳環。碳原子數量可以是1.2個，也可以是幾千個、幾萬個，許多有機高分子化合物甚至可以有幾十萬個碳原子。此外，有機化合物中同分異構現象非常普遍，這也是造成有機化合物眾多的原因之一。碳原子可用共價鍵彼此連接生成多種結構，組成數量巨大的不同種類的有機分子骨架。
無機碳的物質世界：碳以多種同素異形體的形式存在，因為結構不同構成不同的物質，碳是鋼鐵的主要輔助元素，碳纖維是飛機的主要材料。
碳因為結構不同充滿神奇的不同功能：比如石墨、金剛石、富勒烯（也被稱為巴基球）、石墨烯、無定形碳、碳納米管、六方金剛石、碳纖維、碳氣凝膠（密度極小的多孔結構，類似於熟知的矽氣凝膠）碳納米泡沫（蛛網狀，有分形結構，密度是碳氣凝膠的百分之一，有鐵磁性）碳納米泡沫：
碳納米泡沫呈蛛網狀，具有分形結構，有鐵磁性。泡沫由許多原子團簇構成，每個含有約4000個碳原子，直徑約6~9納米；其中很多原子團連在一起，形成了纖細的網。泡沫由團簇構成，似乎形成了石墨層，碳納米泡沫的密度很低，與碳氣凝膠很相似，但密度是它的百分之一；它是目前世上最輕的物質之一，密度約為2毫克每立方厘米，僅有海平麵上空氣密度的幾分之一。
富勒烯：富勒烯是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯。
富勒烯C60分子是一種由60個碳原子構成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。C60是單純由碳原子結合形成的穩定分子。富勒烯具有完美對稱的足球結構，C60分子的電子能級簡並度最高可達五重。C60具有很高的電負性，它能夠接受電子而形成帶負電子的陰離子。C60還容易發生電化學加氫反應.C60電極能夠通過氫而發生電化學充電反應。勒烯可以作為一類新的催化劑材料的基礎。在富勒烯分子的中心空隙加入一些已知具有催化性能的金屬原子，如鉑、鈀等，製成一類新的催化劑，在這種催化劑中，催化性原子被碳籠保護起來。這也是第一個發現的由一種材料的數個原子組成的團簇催化化學反應，因為催化劑通常隻在很大質量下才起作用。
同時我們發現，類似碳C60組成的富勒烯，就像多層聚合宇宙裏講的，因為不同層級的聚合結構，就會產生不同尋常的物理學效果。
第三節 量子感知的世界
現代量子生命的三要素
2013年4月，喬治亞理工學院的王中林帶領的一個團隊，找到一種方式將這種壓力發電的原理用於創造一種細微調整的電子觸覺。壓電效應指的是對晶體和其他固體材料施加機械壓力時產生的某種電荷。王中林說道：“這種技術突破能夠使機器人更像它們的創造者。當我們人類接觸的火的時候，我們知道它是熱的。而這項技術能夠使機器人擁有人類的感覺，換句話說，就是使機器人更像人類。”
除了使機器人具備人類的敏感度和計算機的精密度之外，這項技術還能夠被用於高精密度的修複學和“智能”生物醫學治療。這是一種智能材
料，能夠使物質產生感知，當然這種感知與人類的感知還是有區別的。那麽在真實的生命與物質之間，界限到底是什麽，那麽我們可以從量子角度更多看待生命問題。
正如富勒烯的特性一樣，不同的量子結構，就會產生不同的現象，量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命與物
質的分界線，量子是一種從物質到生命的中間狀態，宇宙演化中，從量子開始，一方麵向物質演化，一方麵向生命演化。
蛋白質病毒是一種奇怪的病毒，因為傳統上認為，基因DNA或者RNA才是遺傳物質，而蛋白質病毒能夠複製，繁殖。我們會提出疑問，蛋白質在細胞與生物體中的作用是傳統的定義嗎。而近幾年全球科學家們開始重新關注並熱衷研究表觀遺傳學、表觀遺傳學的重點核心就是生物可以不通過DNA而在下一代進行遺傳的現象。這會讓我們提出質疑，就是在生命及遺傳中誰是核心。
科學家在動物非生殖克隆中，掏空母體卵細胞中的DNA，然後注入克隆對象的體細胞DNA進行生長。這種克隆不能把DNA移植到普通去除DNA的細胞中。克隆說明生物成長環境需要的一個不僅僅是去除基因DNA的細胞，而需要一個特別的全息的母卵細胞蛋白質環境（細胞中除了DNA其他大部分是各種蛋白質物質）。同時科學家在克隆魚的時候，借助另一種魚的卵細胞進行克隆，克隆成活的魚經常會同時體現出兩種魚類的外貌特征，這說明蛋白質在遺傳中的作用可能被科學家們忽略了。遺傳物質染色體除了關鍵的DNA外，染色體其實是核小體組成的，核小體就是有DNA按照非常精確的尺寸包裹著組蛋白質組成。
染色體結構說明，蛋白質是DNA中的內層結構，應該在遺傳記憶中占據更重要的位置。人類及動物大腦的記憶，很多時候與蛋白質有關係。那麽我們會問，蛋白質，DNA是有機分子組成的，有機分子有量子組成，量子有沒有記憶呢？答案是肯定的！
從物質角度講，量子物質世界向生命世界演化，應該需要如下三個要素：第一，物質係統感知能力與多量子協調能力。
第二，量子記憶能力。
第三，分子的自我組織性。
首先，係統感知力與多量子協調能力是生命需要的必要基礎，因為隻有物質在有整體感知，內部協調信息互通的情況下才能形成構成生命基礎的第一步，感知與應激是生命的重要特征。而在物質向生命演化過程中，物質的整體感知力與內部多分子的協調能力至關重要。
DNA以一長串複雜的線圈形式累積成染色體，DNA各線圈纏繞在若幹組蛋白束上形成一“串珠”結構。這些線圈構成一個染色質鏈，然後染色質折疊成許多環，再卷曲形成一個染色體。
其次，建立在客觀量子糾纏基礎上的物質的記憶特征，是物質得以複製，自我組裝的驅動力。量子形成的物質，在適度環境下具備了生命的基礎條件，當環境改變，就會形成一種進化特征。
最後，物質的自我組織性，是物質向生命演化繁殖的基本條件。而我們要探索物質的這幾種特性就是為了證明物質與生命來源的一體化。
我們已經知道，氨基酸與有機分子從46億年前的太陽係形成之前，就已經存在於太空中，在漫長的演化中，原始星雲有機分子，一直保留在地球大氣層中，或者彗星與小行星隕石當中，在地球形成開始，就有很多彗星與隕石不斷飛向地球。
在地球形成漫長曆史中，由於雷電，狂風，地球火山不斷噴發，水從岩石中不斷滲出。由於地球運動非常激烈，火山與包含著水的泥漿混合噴湧，地球表麵或者深處，大量有機分子與泥土混雜一起，有機分子具有聚合球形效應，很容易形成生命層級的自我感知係統。而且由於這些有機分子的糾纏與協調能力，使聚會一起的很多分子，在一個廣泛的範圍內形成一種協作能力，使光或者熱能的吸收，能量分配，能夠協調完成。一旦形成這種協調能力，量子物質就會記錄下來，生命的形成不是有機分子單獨完成的，而是多種有機分子團聚成自感係統並在量子記憶基礎上多分子協調而成的，而分子組裝本身就是量子的本性。
有機分子與無機化學的分子領域，有各種反應，各種的複雜性，而對於這些互相交錯的反應，因為不同的環境，比如光的條件、電磁條件、溫度條件、催化劑條件、時間效應等環境不同而不同。物質的量子與分子層麵的團聚合屬於物質的天性，也有其規律延續性，不同分子層麵的組合，不同的分子疊加，就會屏蔽外部的幹擾，使內部能夠因為量子糾纏而協調起來。雖然以下證明隻單獨證明了粒子物質的感知力、協調力、記憶能力、與自組性。但是對於分子層麵中，物質多層麵的疊加聚和，和對於物質來講其具有這幾個方麵的共性，就是感知協調力、記憶能力和自我組織性。這是物質本身具有的三個狀態，在多分子疊加後就能夠順理成章地一體化了。
第一，係統感知力與多量子協調能力的證明2013年10月，美國加州大學伯克利分校的泰倫斯·狄肯（Terrence Deacon）在近期的一次演講中認為：生命最初開始的非常簡單，它不可能產生於複雜的多個分子結合。在此之前一定有一步先創造了這些分子本身。
生命形成之前必須克服的一個棘手問題便是產生秩序。秩序可以在局部創造，即使整個係統傾向於混亂，但通過係統加熱可以重新組織秩序，例如當均勻加熱稀薄油層形成貝納德對流晶格時，就會創造一種規則的六邊形樣式。
泰倫斯·狄肯（Terrence Deacon）認為：如果你加熱某事物後它變得規則化，那麽它要做的就是盡快擺脫這種熱。如果你不持續向係統裏輸送熱量，它就會自我關閉。事實上，自我組織的係統盡快毀壞保持組織秩序的一切條件。生命隻可能在秩序產生後才能形成，但它必須保證秩序不會降級且係統不會最終自我毀滅。
英國諾丁漢大學物理與天文學院教授邁克爾·史密斯博士聯合愛丁堡大學與都靈理工學院的研究人員，共同發現了一種性質奇異的“合成**”，其在重擊之下，會像固體一樣粉身碎骨，而慢慢傾斜之後，又可如**一般流淌。該研究成果刊登在英國《自然·通信》雜誌上。史密斯博士介紹說，在低速條件下，該物質表現出**的流動性，而在高速度和高濃度的狀態下，就會如固體一樣粉碎。這就好比在一杯水中倒入一大勺玉米澱粉，如果攪拌得足夠快，溶液中的高密度顆粒便會彼此相融而形成緊固的糊狀物。更令人驚異的是，在即將變成固狀之前，該**還會呈現出具有橡皮筋般彈性的細絲形態。
另外，英國《納米通訊》雜誌刊登了一則“石墨烯具有自我修複的能力”的報告。石墨烯是隻有一層碳原子的世界上最薄的材料，科學家們為探索石墨烯在電學方麵的特性，讓石墨烯薄層與金屬不斷接觸，這個過程在石墨烯薄層上造成了許多孔洞。研究人員用電子顯微鏡觀察這些孔洞發現，孔洞中可能會嵌入金屬原子，但如果孔洞周圍還存在額外的碳原子，這些碳原子會將金屬原子“趕”出來，自己則嵌入孔洞之中，並與石墨烯薄層中原有的碳原子相連接，使整個石墨烯薄層修複如初。研究人員認為，這一現象說明石墨烯具有良好的自我修複能將可以提高石墨烯的應用價值，進一步拓寬這種“神奇材料”展示身手的舞台。
關於量子的協調能力，也可以從離子體態和玻色—愛因斯坦凝聚態上體現出來。
離子體態是指被激發的電離氣體電離到一定程度後，便處於導電狀態。這種狀態的電離氣體表現出集體行為，即電離氣體中每一帶電粒子的運動都會影響其周圍帶電粒子，同時也受其他帶電粒子的約束。因為電離氣體內正負電荷數相等，所以電離氣體整體表現出電中性，這種氣體狀態被稱為等離子體態。由於它的獨特行為與固態、液態、氣態都截然不同，故稱為物質第四態。
玻色—愛因斯坦凝聚態是物質的一種奇特的狀態，處於這種狀態的大量原子的行為像單個粒子一樣。這裏的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態，要達到該狀態，一方麵需要物質達到極低的溫度，另一方麵還要求原子體係處於氣態。這需要讓電子處於一種相互關聯的狀態中，一個電子上的變化立刻會由其他電子反映出來。
在室溫下，電子就像台球會相互撞擊，遵守經典力學法則。而隨著溫度不斷降低，電子會平靜下來並意識到臨近電子的出現。接著，電子們可能就會集體行動，而這種集體行為則遵守量子力學法則。電子們進行著一種複雜的“舞蹈”，它們都試圖呈現最好的排列方式，讓其達到最低能級狀態並最終形成新的模式或基態。
同時在量子熱力學上還有一個“普適狀態”。在正常的量子係統中，決定粒子運動的是它們的類型（如原子、質子等），而在由強相互作用粒子（如費米子）形成的係統中，粒子的運動並不取決於它們的類型，這種運動狀態就是“普適狀態”。一個由澳大利亞科學家和中國科學家組成的研究小組利用費米氣體的研究成果，證實了量子熱力學的“普適狀態”。
另外據美國物理學家組織網2013年8月15日報道，美國科學家揭示了物質的量子狀態自旋**的存在機理，這有望加深科學家對超導性的理解。
自旋**不是人們能觸摸到的物質，它像一個有序排列的原子陣列內的磁無序狀態。自旋是所有磁現象的關鍵，例如在鐵磁鐵中，原子自旋采用同樣的方式排列。而在反鐵磁鐵中，原子的自旋方向會上下改變，20世紀80年代發現的高溫超導材料就是如此。
科學家們表示，可能存在著更複雜、更令人感興趣的磁排列，它可能會產生量子自旋**。比如有一個等邊三角形的反磁鐵，每個角上都有一個原子自旋，其中一個自旋向上，一個自旋向下，那麽第三個原子采用什麽方向自旋呢？它不可能同時與前兩個方向相反，因此物理學家用“挫敗”來描述所有需求無法得到滿足的情況。這種“挫敗”現象隨處可見，一個“挫敗”自旋係統的妥協是同時存在很多自旋方向，量子係統允許出現這種疊加狀態。
在新實驗中，科學家們研究了當“挫敗”現象出現於一種具有六邊形晶胞網格的物質中時所發生的情況。物質內的原子通過各自的自旋相互作用，距離最近的原子之間交互作用的強度用J1表示；次近的原子之間的作用力用J2表示。科學家們讓六邊形晶格中的原子相互作用，觀察並計算了可能會出現的狀態。
科學家們發現，就像溫度變化會使水以不同形態存在一樣，自旋之間交互作用的強度也會發生變化，形成“萬花筒”似的多樣狀態。其中一種狀態被證明為無序的量子自旋**，當J2為J1值的21%到36%之間時，“挫敗”誘導自旋進入無序狀態，整個樣本同時存在著數百萬種量子狀態。
參與研究的科學家加裏塔斯基表示，很難想象一個微小的二維物質能同時以如此多狀態存在，人們應把自旋看成像粒子一樣自由運轉的實體，即自旋振子，會結合在一起，就像水分子結合成液態水一樣，因此得名量子自旋**。而且，其與金屬內部發生的情況類似，在金屬內部，大多數原子的外層電子會離開其“宿主”原子，在金屬內漂移，好像它們組成了**（費密**）。這些現象也許能支持某些奇異的超導性或將一些像粒子一樣擁有電荷的實體組織起來。
最近，科學家又在量子自旋**中發現隱藏秩序。這種沒有傳統磁力的隱藏的磁性“量子秩序”是科學家在研究一條100個原子場的陶瓷原子鏈時發現的，科學家們對一種陶瓷材料進行研究，這種材料是一個個以鎳為中心的氧八麵體首尾相連的鏈式結構。這種鏈並不是普通的磁子，而是奇異的量子自旋**，其中的電子自旋即使在很低的溫度下其方向也是隨機的。通過使用中子來對這些磁性激子成像並測量其傳播的距離，科學家們發現盡管經典上無序，但磁性激子都能夠在低溫下穿過整個原子鏈。他們還發現可以通過引入缺陷或者加熱來限製這種量子相幹或者使之完全消失。
而來自瑞典科學家通過實驗證實，磁納米接觸可使自旋波“繁殖”。觀察結果與十年前科學家提出的“磁性納米接觸會讓納米尺度的自旋波繁殖”這一理論相吻合。在研究中，科學家們製造出直徑約為40納米的納米接觸，自旋波被造於3納米厚的一薄層鎳鐵合金內，模擬顯示，磁性納米接觸會讓自旋波像水波一樣擴展。
近藤效應是電子與其周圍電子發生非常複雜的糾纏引起的，目前的研究方法隻能測量到近藤狀態，無法獲知電子是如何與其周圍環境發生糾纏的。據美國科學促進會網站報道，2013年6月30日發表在《自然》文章揭示了近藤效應狀態下單個電子是如何與其周圍環境產生糾纏態的。由來自美國、德國和瑞士科學家組成的研究團隊利用激光散射技術探測到近藤狀態下的電子活動。根據激光散射過的電子不同狀態，他們推測出電子能通過吸收不同顏色的激光來改變溫度，反射回來的激光能夠攜帶量子糾纏態的特征，從而可以觀察到電子與其周圍環境之間的關係。科研人員利用納米結構的設備將電子捕捉在小凹槽裏，從而將單個電子分離出來。但是凹槽中的電子隻能保持有限的隔離，最終還是會跟周圍的大量電子糾纏在一起。
弗吉尼亞聯邦大學的物理學教授施夫·漢納領導的團隊發現了新型“超原子”，種性能穩定的新型“超原子”，是由1個鐵原子和8個鎂原子集結而成的原子簇，具有令人不可思議的磁性，兼具電性和磁性。科學家發現了一原子簇擁有8個鎂原子時，其充滿電子的殼層與未填滿的殼層幾乎完全分離，從而獲得非凡的穩定性。當一個原子的最外層被填滿並且與未填滿的殼層分開時，該原子處於一種穩定的狀態，惰性氣體的原子就是如此。新的超原子還會優先使朝特定方向自旋的電子遍及整個原子簇這種兼具磁性和導電性的超原子將在分子電子設備領域大展拳腳。
一般兩朵雲相遇，會互相彌散彼此透過，但美國麻省理工學院物理學家卻造出了一種奇怪的超冷氣互斥雲，即使將其密度降低到隻有空氣的百萬分之一，它們在相遇時也能像兩個保齡球一樣彼此彈開，這是科學家首次觀察到氣體之間無法互相透過的現象。此次研究人員在實驗室裏造出的雲是一種冷卻到接近絕對零度的鋰原子氣體，用來代替電子。鋰同位素也是一種費米子，用來模擬強相互作用係統模型。研究人員用磁場調整鋰原子的能量態，讓原子之間產生自然狀態的強度相互作用，即每次它們相互遭遇，就會散射開。氣體被冷卻到五百億分之一開氏度以消除熱能影響，再用磁力將氣體分開成兩部分，分別標記為“上旋”
和“下旋”，然後讓兩部分氣體在激光勢阱中相撞。研究人員發現，它們不但不像通常那樣互相彌散透過，而是戲劇性地互相推開。氣雲最終還是會彌散融合，但要花很長時間，有幾次甚至用了一秒甚至更長，這對微觀事件來說是極其漫長的。
第二，量子記憶
由德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領導的科研小組成功首次將單個光子的量子狀態寫入一個銣原子中，經過180微秒後將其讀出。
這說明單原子也能存儲量子信息。
物理學家將量子信息存儲到非常冰冷的原子纏結中，並大幅度提高了從中檢索的時間。
量子互聯網的目的是分配“纏結”的量子位——兩個距離很遠、有相互關係的數據位，代表“0”或者“1”。所謂“纏結”是指具有交互作用的粒子之間的神奇連接，即使粒子位於宇宙空間的兩邊，這種連接都能以極快的速度連接，量子位像光子一樣在光纖網絡中旅行。為了達成量子記憶，研究人員使用一個銣87原子係綜，並將其冷凍到絕對零度以使原子的活動最小。為了存儲信息，該原子係綜被暴露於攜帶信號的激光之下，允許每一個原子作為“集體激發”的一部分參與存儲。簡單來說，每一個原子“看見”了前來的信號，一個快速擺動的電磁場，就會刻下相位信息，該相位信息之後就能被“讀”到。盡管非常冰冷，係綜原子可在任意方向自由移動。因為每一個原子存儲量子信息的一部分，且數據的有用性依賴每個原子參照其他原子的位置，原子大量的運動可能會破壞信息。
加拿大和德國科學家合作成功地在一種特殊晶體中存入光量子糾纏態的編碼信息。物理係教授沃夫岡·泰特爾使用了一種摻入稀土離子的晶體，並將其冷凍到-270℃。在此溫度下，晶體材料性質發生變化，使得研究人員可以存儲和提取這些量子，而不產生明顯的退化。泰特爾表示，研究結果顯示，量子所擁有的“糾纏”這種物理性質，並不像我們以前所通常認為的那樣“脆弱”。
由英國牛津大學和曼徹斯特大學組成的聯合研究小組通過化學工程，製造出一種名為Cr7Ni的特殊分子結構，並演示了其磁性能保持量子疊加態超過15微秒，在因退相幹而失去信息之前，它們的自旋狀態可反複轉換。
分子磁鐵是一種分子，其磁矩通常按分子結構的特殊軸線排布，因此在磁場的影響下，其電子自旋方式也會變成不止一種狀態。在低溫下，即使沒有磁場，它們也能保持這種狀態，這一特性使采用它們來存儲信息成為可能。利用化學工程合成人造分子，可以作為量子比特，並使其記憶時間段大大延長。研究人員介紹說，實現單量子比特操作的必要時間為10納秒，根據以往對Cr7Ni分子磁鐵的研究，其相幹時間大大超過了這一限製。此前的記憶時段最高紀錄為3.8微秒，另外一些分子磁鐵係統的記憶時長也能保持在1微秒左右。“記憶時段和相幹時間是非常相似的概念”。論文合著者、牛津大學的阿章·阿達萬說，“記憶時段越長，表明在量子信息損失之前，能操控量子比特的次數越多。如果能精確控製分子結構，找出各種退相幹的機製，就能盡可能減少這些退相幹因素”。
另外，一種量子記憶體也被加拿大和德國科學家合作在超低溫環境下成功製造了出來。研究人員使用一種摻雜稀土離子並冷凍至-270℃的铌酸鋰晶體，成功實現了存儲和再現糾纏態光量子，也就是說，他們已經製造出了一種量子記憶體。這種超低溫晶體所具有的存儲和再現光量子的材料特性，與計算機中字節的保存和調用非常相似。在這種狀態裏，光量子之間形成“糾纏”關係，即便是它們遊離開來相距甚遠，也會保持這種“糾纏”關係。在某種程度上講，這種“糾纏”關係意味著量子之間盡管相距甚遠還將存在著通信聯係。
美國和德國科學家在最新研究中，將包裹於鑽石內單個電子裏的量子信息移入鄰近的單個氮原子核內，接著使用芯片上的布線讓其返回。這是科學家首次證明，鑽石內的亞原子也擁有量子記憶，全量子信息能在室溫下，在單個電子自旋和單個核自旋之間來回高保真地轉換。由於亞原子核狀態與外部世界之間更難發生具有破壞性的相互作用，鑽石內的亞原子也擁有量子記憶。
該研究團隊之前已經證明，能夠使用氮原子束故意在鑽石上製造瑕疵來捕獲單個電子，從而合成出數千個這樣單個的電子狀態，在室溫下鑽石中的瑕疵也能精確地做到這一點，於是科學家開始考慮利用有瑕疵的鑽石來存儲數據。由於量子物理學獨特的屬性，在某種特定的情況下，兩個量子物體能混合成為一個新的複合體。通過將瑕疵內電子的量子自旋狀態和氮原子核的自旋狀態在很短的時間內（不到1千萬分之一秒）混在一起，最初被編進電子中的信息會被傳遞給原子核。量子信息能夠被很快地轉運給壽命長的核自旋，這能進一步增強我們糾正量子計算中出現的錯誤的能力。
英科學家們表示，已經研發出了一種新方法，利用“智能材料”來使蛋白質結晶，這種智能材料能記住分子的形狀和“性格”。研發新藥的過程一般如下：科學家們會先找出一個與疾病有關的蛋白質；接著設計出一個能同該蛋白質相互作用的分子，來刺激或者阻止該蛋白質的功能。研究者利用一種名叫“分子印跡聚合物（MIPs）”的材料，研發出了一種更有效的製造蛋白質晶體的方法。MIPs 是一種由小單元組成的化合物，這些小單元緊緊包圍著一個分子，當其中的分子被提取出來後，會留下一個洞穴，這個洞穴能夠保持其形狀，並對靶向分子具有很強的親和性。這種屬性使MIPs成為一個理想的成核劑，其能將蛋白質分子綁在一起，並使蛋白質分子更容易集結從而結晶。現實中需要很強的力量才能讓蛋白質脫離溶液並形成晶體，MIPs可以成為這個過程的“幕後推手”，它會使用這個蛋白質作為其形成晶體的模板，一旦第一個或第一組分子被放在正確的地方，其他分子能自我排列在它周圍並且開始結晶。研究發現，有6個不同的MIPs誘導9個蛋白質形成了晶體，而這些蛋白質在此前的實驗中結晶情況並不理想。
1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之後，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地
變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。記憶合金被譽為“神奇的功能材料”。
1963年，美國海軍軍械研究所的比勒在研究工作中發現，在高於室溫較多的某溫度範圍內，把一種鎳鈦合金絲燒成彈簧，然後在冷水中把它拉直或鑄成正方形、三角形等形狀，再放在40℃以上的熱水中，該合金絲就恢複成原來的彈簧形狀。後來陸續發現，某些其他合金也有類似的功能。這一類合金被稱為形狀記憶合金。每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉變溫度；在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然後將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀後再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢複到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。
第三，自我組織性
上海交通大學研究人員報道了宏觀自組裝現象，這項研究為生命起源提供了新的啟示。2004年1月，在美國出版的《科學》雜誌，發表了上海交通大學化學化工學院顏德嶽教授及其博士生周永豐、侯健的論文《形成宏觀管子的超分子自組裝行為研究》。該論文在國際上率先報道了宏觀自組裝現象，由一類新型的不規則的大分子自組裝得到了厘米長度、毫米直徑的多壁螺旋管，將超分子自組裝研究領域拓展到了宏觀尺度，使我國在這一研究領域處於國際領先的地位。
據介紹，超分子自組裝是近年來國際科技界關注的一個前沿熱點。人們知道蛋白質、細胞乃至生命的形成都是通過自組裝來實現的，因此自組裝的研究對揭開生命現象奧秘具有十分重要的意義。另外，自組裝是目前用來製造納米材料的最方便最普遍的途徑之一。特別對於製造結構規則的功能材料，自組裝已經顯示出獨一無二的優越性。可以說，自組裝研究不僅具有重要的學術意義，而且具有廣泛的技術應用前景，因此吸引了眾多科學家的目光。
由顏德嶽教授課題組進行的這項研究始於1998年冬，經過5年多的努力終於成功地自組裝得到了形貌更為完美的宏觀多壁螺旋管，並經多次重複測試都重現了自組裝現象。這項研究結果所展示的從分子直接自組裝得到宏觀物體的過程和生命物體的形成過程有關，為生命起源研究提供了新的啟示。
中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室江華課題組與法國的科研人員合作在超分子自組裝研究中取得了新進展，成功地合成了一係列具有螺旋結構的喹啉酰胺寡聚物。
研究人員通過片段加倍合成法，成功地合成了分別含有2、4、8個喹啉酰胺結構單元的寡聚物。這些寡聚物通過分子內F—NH和N—NH氫鍵自組裝成為單、雙螺旋和四螺旋超分子體係（圖046和圖047）。研究表明無論是在晶體中還是在溶液中，這些多肽寡聚物都呈現相同的螺旋結構。研究人員還發現單螺旋必須通過增加螺旋間的距離才能夠組裝成為雙螺旋超分子體係，並在此基礎上提出了多螺旋結構形成的彈簧伸展原理（圖048）。這和短杆菌肽（Gramicidin）有著十分相似的自組裝機理，這些研究結果為探索合成新型人工合成折疊分子及其超分子結構提供了新途徑。在自然界中，許多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋結構。
美新發現自旋納米粒子會自我組裝成“活著的晶體”：2014年02月26日據中國科技網，每日科學網報道，美國密歇根大學教授莎朗·格洛特茲領導的團隊在解決納米粒子自我組裝時發現，隻是讓納米粒子自旋就會誘導它們組成科學家們所謂的“活著的旋轉晶體”，這種晶體或許可以用作納米泵，在設備內運輸物，也能順帶解釋生命的起源。科學家們之所以稱這種晶體為“活著的”，是因為從某種程度上來說，它們自己就采用一種非常簡單的規則呈現出了生命的形式。
包括格洛特茲在內的科學家一直在探索納米粒子像生命剛開始，是如何從無序狀態，自然演變成有序狀態的。而格洛特茲團隊解決這一組裝挑戰的方式是，持續不斷地添加擁有能量的組件，用這種方式來處理納米粒子。結果，研究人員最近發現，如果粒子從基本運動（比如朝一個方向移動）就開始獲得能量，那麽，它們會相互影響，形成群體，而格洛特茲團隊發現，旋轉的粒子會自我組裝。該研究團隊認為，盡管計算機模擬是二維的，旋轉的粒子也能變成“活的”
三維晶體，因此，或可用於解釋生命的起源。
這是一種由自我裝配的有機分子形成的二維準晶體。這種奇特的準晶體由扁平的單層五邊環分子組成。
這個分子組奇特的裝配方式導致這一層裏的其它分子形成了五角形、星形、船形和菱形等形狀。如果這是一個規則的古老晶體，那麽這些群體和形狀會在每一層裏以可預測的方式反複出現。但是，在準晶體裏，同一層裏反複出現相同的形狀，但似乎不是以有組織的形式出現。準晶體的結構是部分晶體部分紊亂的，是介於重複對稱單元的結構和完全無序的建構單元結構之間。
有關自我裝配的意思，不少科學家們也表示異議。科學家維德拉認為這個術語可以應用於所有的準晶體結構，而不僅限於新發現的這個。坎德爾辯論稱由強大的化學鍵組成的結構——正如其它準晶體一樣——其實並非是自我裝配的。這些強大的化學鍵“壓倒了”單個建造單元互相結合的力量，使得材料別無選擇隻能形成組織。而在這種新的準晶體裏，這些建造單元是由微弱的氫鍵結合在一起的。“自我裝配非常有趣，因為驅動組織形成的力量遠比單個結構形成的力要更微弱。”坎德爾說道。
第四節 “人造生命”的發展
據科學家介紹，“人造生命”在本質上應該具備以下三個方麵的基本要素：第一，必須有一種細胞膜來容納細胞物質；第二，要能進行新陳代謝，即細胞結構內營養物質的補充及更新能力；第三，具有自己的基因。從事“人造生命”研究的科學家相信，將來有一天，人造的生命形式將有潛力解決很多問題，從治療疾病到防止全球變暖等等，意義可謂非常重大。
對許多人來說，簡稱DNA的脫氧核糖核酸並不陌生，它是攜帶生命遺傳密碼的重要載體。但如今，即便如此重要的載體也能被人工合成的物質替代了。
英國醫學研究委員會分子生物學實驗室等機構的研究人員在最新一期美國《科學》雜誌上發表報告說，他們人工合成了一種名為XNA的物質，在許多關鍵功能上可替代DNA，這對研究生命起源乃至“人造生命” 具有重大意義。
據研究人員介紹，XNA也能像DNA一樣存儲遺傳信息。由於它所用的“鏈齒”，也就是堿基，和DNA中的一樣，因此XNA鏈條和DNA鏈條之間還可互相結合，實現遺傳信息的傳遞。在實驗中，研究人員將一個DNA鏈條上的遺傳信息傳遞到XNA上，隨後再傳回另一個DNA鏈條，遺傳信息傳遞的準確度高達95%以上。此外，如果滿足一些前提條件，部分XNA聚合物在試管中還能如DNA一樣進化成不同形態。
報告的作者之一菲利普·霍利格說，上述實驗結果說明XNA已擁有DNA的兩個關鍵功能——遺傳和進化。由於人造的XNA在分子構成上與DNA並不完全相同，這說明DNA不一定是攜帶生命遺傳密碼的唯一載體。因此有觀點認為，地球上的生物之所以都采用了DNA來攜帶遺傳信息，是因為地球生命起源之初，環境中相應種類的分子數量較豐富。而在宇宙中其他地方，也許存在遺傳方式不相同的生命形式。
這項研究還被認為是在“人造生命”道路上邁出的重要一步，不過有專家認為，人類使用XNA來人工編製遺傳信息並創造一種新生命，還有很長的路要走。
美國生物學家克雷格文特爾在實驗室中製造出世界首個人造生命細胞。
克雷格文特爾將一種稱為絲狀支原體絲狀亞種的微生物的DNA進行重塑，並將新的DNA片段“粘”在一起，植入另一種細菌中。新的生命由此誕生，這種新生的微生物能夠生長、繁殖，並產生一代又一代的人造生命。植入的DNA片段包含約850個基因，而人類的DNA圖譜上共有約20000個基因。這個人造生命被戲稱為“人造兒”（synthia），它是人類科學史上一個革命性的成果。
新華社消息報道，日本研究人員用簡單有機化合物合成人造細胞。研究人員先利用類似界麵活性劑的分子、催化劑以及水製成雙層膜，然後把混有從大腸杆菌提取的DNA（脫氧核糖核酸）和DNA合成酶的水注入雙層膜，讓膜包裹著含DNA的水，形成外觀像細胞的直徑1~10微米的球體。
通過讓球體內**的溫度升高至95℃再下降到65℃。在不斷重複這種溫度變化的過程中，加上酶的效用，DNA成功複製，經過20次反複，D N A 增加至1 0 0 多萬倍。
DNA增加後，再添加製作膜的有機化合物，部分DNA就附著到雙層膜內壁，人造細胞開始膨脹，約4分鍾後如同天然細胞分裂一樣從中間斷裂，形成新細胞。在實驗中一個人造細胞能分裂出8~10個細胞。據介紹，雖然在這次研究中使用來自於大腸杆菌的DNA，不過即使使用人工合成的DNA，人造細胞也能實現同樣的增殖。
英國科學家用含有金屬的巨型分子，成功地製造出了類似於細胞的氣泡，並賦予它們一些類似生命的特征。研究人員希望誘使這些氣泡演變成完全無機的能自我複製的實體。
格拉斯哥大學的李·克羅寧通過將由鎢（占大多數）和其他金屬原子、氧、磷結合形成的多金屬氧酸鹽簡單地在溶液中混合，讓其自我組裝成了像細胞一樣的球體，把得到的氣泡稱為無機化學細胞。通過修改其金屬氧化物骨架，讓其擁有一些天然細胞膜的特征，讓不同大小的化學物質有選擇性的進出細胞膜，以此控製細胞內可發生何種化學反應（這是特定細胞的一個關鍵特征）。在氣泡內創建出了模擬生物細胞內部結構的分隔。他們朝氣泡填充物質，通過讓一些氧化物分子與感光染料結合來進行光合作用。早期的研究結果表明，他能製造出一個膜，其受到光照時，可將水分解成氫離子、電子和氧，這是光合作用的第一步。
克羅寧表示：“也有跡象表明，我們可以激發質子穿過該細胞膜以建立一個質子梯度，這是利用太陽能的另一個關鍵階段。如果能將所有步驟有效地整合在一起，我們就能創造出一種帶有類似植物代謝成分的自供電細胞。”
科學家利用3D打印機製造出“微型肝髒”：2013年4月，美國加州Organovo 公司采用3D打印機逐層打印了大約20層活細胞，製造出微型肝髒器官，深度僅0.5毫米，寬度4毫米，但它卻具有真實肝髒器官的多項主要功能，包括產生運輸激素的蛋白質，將鹽和藥物送遞至全身。伴隨著細胞從血管抵達肝髒器官，送遞營養物質和氧氣，能保持5天的生命力。目前，這種微型肝髒可以生成固醇和細胞色素P450s，後者能在肝髒器官中新陳代謝藥物，是一種具有解毒作用的酶。
2013年2月26日由麻省理工學與以色列合資的一家製造商公布了一項“4D打印”新技術，它使用水來激活並且為一連串自動折疊成為設計形狀的材料提供能量。這個概念就是創造出一種能夠在被打印出來之後發生改變的物體，而且它們能夠進行自我調整。打印不再是創造過程的終結，而僅僅是一條路徑。發布者Tibbits在一場采訪中說道：“我們想要說的就是，你設計出產品並且打印出來，而它能夠進化。它就像在材料中植入了智慧。”
麻省理工學院（MIT）和賓夕法尼亞大學的研究人員使用20毫秒的激光脈衝對經過轉基因技術可表達光活化蛋白的骨骼肌細胞進行照射刺激，激光脈衝可導致肌肉出現獨特的收縮，這樣科學家就能在激光脈衝的控製下精心設計出複雜的組合運動。該技術的應用使得我們開啟了新一波使用有機材料打造“生物融合體” 機器人的研究熱潮。
《自然·生物技術》雜誌消息報道，美國研究人員利用矽樹脂和老鼠心肌細胞製造出了“人造水母”，它在電流的刺激下能夠在水中像水母那樣遊動。
美國哈佛大學和加州理工學院的研究人員報告說，這個“人造水母”的外形像一朵八瓣花，八個“花瓣”都是由矽樹脂製成，在它的中心是附著在薄膜上的老鼠心肌細胞。把它放入水中，每次通上電流，心肌細胞就會收縮，並帶動八個“花瓣”向中間收縮運動，在電流消失後，矽樹脂的彈性會使得它恢複原狀。整個過程和自然界中水母的運動方式非常相似。研究人員說，接下來將嚐試為“人造水母”增加一個“大腦”，使得它能夠控製劃水的角度和方向，更加接近真實的水母。
這項研究可能會引發新的關於“人造生命”的討論。過去的一些“人造生命”走的是人工合成類似DNA物質的路子，而本次研究直接模擬出了一種生物，這樣使用生物的細胞來製成“新生物”，可能會引發各種不同觀點的爭論。
總結：多分子聚合下的生命演化
本章從量子角度，講量子演變為生命的三個要素。大量的事實證明奇特的量子具有很多神奇的特性，這為生命的量子起源奠定了理論的基礎。正是量子不同結構的交錯，不僅僅誕生了宇宙的物質世界，也使生命得以實現。
本章以碳為標準模型，闡述了量子因為結構不同，而導致的量子向物質與生命向兩個方向變化：一個是向無機物質方向演變，一個向有機生命方向進化，以碳骨架為基礎的量子分別分別構成了碳與鐵等分子合作的無機鋼鐵的物質世界，及碳與氫氧等分子合作的有機生命的世界。這就是宇宙的多層聚合作用，使不同的結構擁有了不同的宇宙性質表現與感知結構係統。
係統感知力與多量子協調能力是量子向生命演化的必要基礎，因為隻有物質在有整體感知、內部協調信息互通的情況下，才會導致生命細胞體內有機物的活力選擇，出現內部能量分配與自我取向，導致細胞內部有機大分子的協調能力。
建立在客觀量子糾纏基礎上的物質的記憶特征是物質得以複製、按秩序自我組裝的驅動力。
物質的自我組織性，是物質向生命演化的基本條件。而本章探索的量子這幾種特性就是為了證明物質與生命來源的一體化來源於量子。
霍金在《大設計》中關於生命的思考雖然籠統，理論基礎也有些蒼白，但是無疑為物理學及生命學發展指出了方向。他認為由於萬有引力等定律的存在，宇宙能夠而且也必定是無中生有、自我創造，無須祈求上帝之手讓宇宙運轉，自我創造是宇宙、人類存在的原因。
而本書提出的“聚合而生的多層”宇宙模型，恰恰不僅僅解釋了萬物的形成，也同時解釋了生命是多層宇宙中的一個層次。在這個新模型裏從宏觀到微觀，從量子到物質、生命，都有一個簡單有秩序的邏輯。