英文名：The Secrets of Quantum Physics
讲述人：Jim AL-Khalili University of Surrey
Einstein’s nightmare（探究现实的本质）
借用一位量子力学奠基者的话说，我们谓之”真实“的万物并不能自我验证其”其实“。
Max Planck
统一后的德国人研究电灯泡为何发光？光的颜色和温度有何关系？
Quanta were a purely formal assumption to which I really did not give much thought.——Planck
紫外灾难（Ultraviolet Catastrophe）是指经典物理学在解释黑体辐射问题时所遇到的一个困境。在经典物理学中，根据经典电磁理论，预测了热辐射的能量分布应该是一个无限大的曲线，即所谓的紫外灾难。
根据经典电磁理论，黑体辐射是由热能产生的电磁波辐射。经典物理学认为，辐射的能量应该是连续的，而且能量的分布应该是无限大的。然而，实际观测到的热辐射能量分布却与经典预测不符。
在量子力学的发展中，物理学家马克斯·普朗克提出了量子理论对黑体辐射进行解释。根据普朗克的理论，辐射能量是以离散的能量量子形式存在的，而不是连续的。这个能量量子被称为普朗克常数。
量子理论通过引入能量量子的概念解决了紫外灾难的问题。根据量子理论，辐射能量的分布服从普朗克辐射公式，它能够与实验观测相吻合。普朗克辐射公式描述了不同波长下辐射的能量密度分布。
因此，紫外灾难的产生是由于经典物理学未能准确描述黑体辐射的能量分布，只有引入量子理论才能解决这个问题。量子理论的发展对于理解微观世界的物理现象具有重要意义，并对后续量子力学的建立和发展产生了深远的影响。
光电效应（photoelectric effect）是指当光照射到某些物质表面时，该物质会发生电子的排放现象。具体来说，光电效应是指光子与物质相互作用，激发物质中的电子从原子或材料中解离出来，形成自由电子。
当光子能量足够高时，它可以克服物质的束缚力，将电子从原子或固体中释放出来。这个能量阈值称为材料的光电发射功函数。当光子的能量高于或等于该功函数时，光电效应就会发生。
光电效应的关键是光子的能量。光子的能量与它的频率（或波长）有关。根据普朗克的能量量子化理论，光的能量与频率成正比。因此，高频率（短波长）的光子具有更高的能量，能够更容易地引起光电效应。
光电效应在许多实际应用中具有重要意义。例如，它是光电池的工作原理，光电池可以将光能直接转换为电能。光电效应还用于光电倍增管、光电二极管等光电子器件中。
光电效应的研究对于量子物理学的发展起到了重要的推动作用，它为理解光与物质相互作用的基本原理提供了重要的实验依据，也对量子力学的建立和发展做出了贡献。
Albert Einstein
No reasonable definition of reality could be expected to permit quantum mechanics.——Einstein
爱因斯坦的光量子假说解释了紫外灾难和光电效应，但也带来了悖论——光的本质究竟是粒子还是波。
Niels Bohr
Everything we call real is made of things we cannot call real.——Bohr
玻尔声称你永远不知道电子在哪，直到你测量它。你不仅不知道电子在哪，更奇怪的是，电子好像无处不在。
玻尔结合太极图自制的勋章
玻尔说只有通过观察我们才能把它召唤出来。就好像我们和量子世界之间有一道窗帘，在它的背后没有确定的现实——只有现实的可能性。只有当我们拉开窗帘观察的时候，事情才会变成现实。 这被称为哥本哈根解释（Copenhagen Interpretation）。
爱因斯坦认为他们找到了一种赢得争论的方法，他确信发现了哥本哈根解释的一个致命缺陷，那就是，现实是通过观察被召唤出来的。爱因斯坦争论的焦点是量子力学的一个方面叫做纠缠（entanglement）。纠缠是一种特殊的难以置信的亲密关系，在两个量子粒子之间，它们的命运交织在一起。例如，它们是在同一个事件中创建的。让我试着解释一下，想象这两个粒子是旋转硬币。假设这些硬币是两个电子，由同一个事件产生，然后彼此分离。量子力学说，因为它们是一起被创造的，它们是纠缠的。它们的许多属性是永远联系在一起的，无论它们在哪里。记住，哥本哈根解释说，直到你测量其中一个硬币，它们非正非反，事实上，根本不存在正反。纠缠让事情变得更加离奇。当我们停止第一枚硬币，它变成正面，因为硬币是通过纠缠联系的，第二枚硬币将同时变为反面。这是最关键的一点，我无法预测我的测量结果会是什么，只知道它们永远是相反的。爱因斯坦抓住了这点，因为这意味着两个硬币之间发生了一些事情，这简直太不可思议了，这就好像这两个硬币在秘密地交流。跨越时空、瞬间通信。即使第一枚硬币在地球上，另一枚在冥王星上。爱因斯坦拒绝相信这个，瞬间的，比光速还快的通信，他的相对论说，没有任何东西能传播得比光快，甚至连信息都不行。那么，一枚硬币怎能瞬间知道，另一枚硬币是正还是反呢？他轻蔑地称其为“幽灵般的超距作用”，并声称这是哥本哈根解释的致命缺陷。
更重要的是，他有一个更好的主意。爱因斯坦认为有一个更简单的解释。这两枚硬币的命运，不管它们是正面还是反面，在我们观察它们之前就已经确定了。他说，尽管似乎硬币的命运被决定了，比如说正面，在观察的时候，事实上，这个决定早在很久以前就作出了，只是我们不知道。爱因斯坦认为，量子粒子与旋转硬币完全不同。它们更像，比如说，一对手套，左和右，分开放在盒子里。我们不知道哪个盒子里装了哪知手套，直到我们打开它，但是当我们这样做的时候，发现，比如说，一个右手套，然后马上我们知道另一个盒子里装的是左手套。但是至关重要的是，这并不需要幽灵般的超距作用。这两个手套都没有因被观察而改变。从一开始，它们就是左手套或是右手套。唯一改变的是我们是否知道，那么，哪个才是对现实的真实描述呢？玻尔的硬币，只有当我们观察它们的时候才会变成现实，并且神奇地相互交流，或者是爱因斯坦地手套躲藏着我们，但从一开始就已确定了左右？换句话说，是否存在客观现实，爱因斯坦相信的或是玻尔维护的？
随着二战的爆发，理解现实本质的争论陷入了僵局。
贝尔实验室的科学家们在1927年发现了电子衍射现象。这一发现是量子力学的重要里程碑之一，也证实了电子具有波粒二象性。在电子衍射实验中，电子被发射到一个晶体样品上，然后通过衍射产生干涉图样。这些干涉图样与光的干涉图样非常相似，从而表明电子也具有波动性质。这一实验的发现为量子力学的发展打下了基础，并对后来的量子力学研究产生了深远的影响。
波粒二象性的英文单词是 “wave-particle duality”。波粒二象性是指微观粒子，如电子、光子等，既具有波动性质又具有粒子性质。这意味着它们在某些情况下表现出波动性质，而在其他情况下则表现出粒子性质。具体来说，当微观粒子被观测时，它们的性质会根据实验的具体情况而表现出不同的行为。例如，在双缝干涉实验中，电子会在屏幕上产生干涉条纹，表现出波动性质；而在光电效应实验中，光子被吸收或发射时则表现出粒子性质。波粒二象性是量子力学的基本概念之一，它对于解释微观粒子的行为和性质非常重要。量子力学的发展正是基于波粒二象性的观念，它提供了一种全新的理解微观世界的方式。
物质波的概念最早是由法国物理学家路易·德布罗意在1923年提出的。德布罗意在他的博士论文中指出，如果将光看作是一种波动，那么粒子也应该具有波动性质。他认为，任何具有动量的粒子都应该具有波动性质，并且应该存在与波长和频率相对应的物质波。德布罗意的这一假设最初并没有得到广泛的认可，但在1927年电子衍射实验的发现之后，人们开始逐渐接受了这一概念。现在，物质波已经成为量子力学的基本概念之一，它对于解释微观粒子的行为和性质非常重要。
尼尔斯·波尔是量子力学的重要奠基人之一，他为量子力学的发展做出了许多重要贡献。以下是他的几个主要贡献：
波尔提出了原子的量子化概念。他认为，原子只能存在于特定的能级上，而这些能级与电子的轨道和能量有关。这一概念被称为“波尔模型”，成为了解释原子结构的重要工具之一。
波尔提出了“互补原理”，认为在某些情况下，量子力学的不同理论描述是互补的，而不是相互排斥的。例如，电子在双缝干涉实验中既表现出粒子性质，又表现出波动性质，这两种描述是互补的。
波尔提出了“波尔量子条件”，它描述了原子在吸收或发射光子时所遵循的规则。这一条件成为了解释原子和分子光谱的基础。
这些贡献使得波尔被认为是现代量子力学的奠基人之一，他的思想和理论对于量子力学的发展产生了深远的影响。
哥本哈根解释是量子力学中一种关于测量和观察的解释，由尼尔斯·波尔等人在哥本哈根大学提出。该解释认为，微观世界中的粒子在未被观测时，不存在确定的位置和状态，而只存在可能性波函数。当观测者对粒子进行测量时，粒子的波函数会塌缩成一个确定的状态，而这个过程是不可预测的。
哥本哈根解释还提出了“不确定性原理”，即无法同时精确地测量粒子的位置和动量，或能量和时间。这是由于观测的过程会干扰粒子的状态，导致无法同时确定粒子的不同属性。
哥本哈根解释对于解释微观世界的行为和特性非常重要，在量子力学的发展史上具有重要的地位。然而，哥本哈根解释也存在一些争议和不足，例如它并不能提供粒子波函数塌缩的具体机制，以及它对于量子纠缠等现象的解释仍然存在一些困难。
量子纠缠是一种特殊的量子力学现象，描述了两个或多个粒子之间的非常密切的关联关系。当粒子处于纠缠状态时，它们之间的状态是相互关联的，无论它们之间有多远。
在经典物理中，我们通常认为物体具有确定的属性，例如位置、速度或者自旋方向。然而，在量子力学中，粒子的状态不是唯一确定的，而是以概率的形式存在。当两个或多个粒子发生相互作用并成为一个系统时，它们的状态将被描述为一个整体的量子态。
在这个量子态中，粒子之间的状态是彼此关联的，无论它们之间有多远。这意味着改变一个粒子的状态会立即影响到其他纠缠粒子的状态，无论它们之间的距离有多远。这种关联关系是非局域的，即超越了传统的时空观念。
著名的爱因斯坦-波恩-施洛丁格（Einstein-Podolsky-Rosen，EPR）悖论以及贝尔不等式的实验验证揭示了量子纠缠的奇特性质。量子纠缠在量子信息科学、量子计算、量子通信等领域都起着重要的作用。例如，量子纠缠可用于量子密钥分发（量子密码学）和量子远程通信等量子通信协议中。
需要注意的是，量子纠缠并不意味着传递信息的超光速传播或瞬时通信。虽然纠缠粒子之间的状态是瞬时相关的，但是由于量子纠缠无法用于传递超光速信息，所以并不能用于违反相对论的因果性原则。
John Bell
Bohr was inconsistent, unclear, wilfully obscure and right.——Bell
玻尔不一致、不清楚、故意模糊但正确。——贝尔
量子世界只有被观察的时候才存在吗？或者是否有更深层的真相等待被发现？
你如何检查某物是否是真实的？不看的话，你怎能知道东西在或不在哪呢？
被操纵的纸牌，记住，是爱因斯坦的想法，这真的发生在纠缠实验中。他说，就像手套已经放在盒子里一样。
但玻尔认为，红色和黑色在你把它们翻过来之前都不存在。
贝尔的想法：不告诉荷官我想玩哪种游戏？同色赢或是异色赢，在荷官发好牌之前。现在，荷官永远无法预测我要玩的游戏的规则。
EPR佯谬、量子纠缠、贝尔不等式都是啥？2022年诺贝尔物理学奖最硬核解读！
贝尔不等式：$P(a,c)-P(a,b)-P(b,c)\leq1$
该不等式是贝尔不等式的一种常见变形形式之一，通常称为三角形式的贝尔不等式。
在这个不等式中，(P(a,b))表示当选择测量角度为(a)时观测到结果为(b)的概率，(P(a,c))表示当选择测量角度为(a)时观测到结果为(c)的概率，(P(b,c))表示当选择测量角度为(b)时观测到结果为(c)的概率。这个不等式的物理意义是，对于局域实在论假设，即认为测量结果在进行测量前已经存在且不受其他测量的影响，不等式左侧的差值应小于等于1。违背这个不等式意味着与局域实在论的假设不一致，暗示了量子力学中存在非局域性关联的可能性。需要注意的是，贝尔不等式有多种形式和变体，并且具体的不等式形式可以根据具体的实验设置和测量方式而有所不同。
这是由John Clauser 和 Alain Aspect最先进行的一个现代版本的实验。实验测试光子的偏振是否相同。
西元2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。
实验证明爱因斯坦对现实的描述不可能是真的。在我们的实验中，作弊并不能欺骗大自然。两个纠缠光子的属性从一开始就不能确定，仅当我们测量它们的时候才会被召唤。
一些神秘的东西跨越空间联系着它们，我们无法解释甚至无法想象的一些神秘的东西，除了使用数学之外。更奇怪的是，光子只有在我们观察它们时才会变真实。在某种意义上，它确实暗示着，当我们不去看月亮时，月亮是不存在的。这确实违背了常识。无论发生什么，我们都不明白什么是光量子。但这并无意味着我们应该停止研究。
贝尔不等式的一种常见表达式是贝尔-克劳斯-霍恩（Bell-Kochen-Specker）不等式，可以用LaTeX代码表示为：
$S = A_1(B_1 + B_2) + A_2(B_1 - B_2) - (A_1 + A_2)\leq 2$
其中，$A_1、A_2$是对粒子A的两个可能测量的结果，$B_1、B_2$是对粒子B的两个可能测量的结果。不等式的左边是对这些测量结果的组合进行线性组合，而右边的2表示不等式的上限。如果实验结果超过了2，则意味着贝尔不等式被违反。
需要注意的是，贝尔不等式的具体形式可以有多种变体，上述表达式只是其中一种常见的形式。
是的，贝尔不等式有许多不同的变体，其中一些包括：
贝尔-克劳斯-霍恩-沙利（Bell-Kochen-Specker-Shimony）不等式：这是对贝尔不等式的扩展，考虑了更多的测量角度和结果。
贝尔-赫尔默特（Bell-Helstrom）不等式：这是一种基于信息论的贝尔不等式，用于量化测量的信息量和不确定性。
核克斯特不等式（Klyshko inequality）：这是一种贝尔不等式的扩展，适用于多粒子系统的情况。
琺克斯特-斯蒂纳不等式（Klyshko-Stinespring inequality）：这是对贝尔不等式的进一步扩展，适用于更一般的量子系统情况。
这些变体的目的是在不同的情况下探索量子力学与局域实在论之间的关系，并考虑更复杂的测量和系统设置。它们提供了不同的数学表达和不等式形式，用于研究和检验量子力学的非局域性和实在性。
贝尔不等式（Bell’s inequality）是由物理学家约翰·贝尔（John Bell）在西元1964年提出的一组不等式，用于检验量子力学与局域实在论之间的区别。贝尔不等式的研究旨在探索量子力学中的非局域性，也就是量子纠缠的特性。
贝尔不等式基于以下假设：
- 实在论（Locality）：物理系统的属性是先验确定的，不受测量方式、时间和空间距离的影响。
- 实在性（Realism）：物理系统的属性在进行测量前就已经存在，即存在隐藏变量决定了系统的状态。
通过引入这些假设，贝尔不等式试图证明量子力学的非局域性与实在性之间的矛盾。然而，实验结果与贝尔不等式的预期值存在不一致，这意味着量子力学与实在性假设之间存在矛盾。
具体来说，贝尔不等式通过对一对或多对纠缠粒子的相关性进行测量，得出了一组不等式。如果这些不等式被违反，那么就意味着存在非局域性或者隐藏变量理论无法完全描述实验结果。
实验证实了贝尔不等式的违背，证明了量子力学中的非局域性，即量子纠缠的存在。这一发现对于我们对于自然界的理解和量子信息科学的发展具有重要的影响。
贝尔不等式的研究对我们对自然界的理解有以下重要影响：
量子非局域性的确认：通过实验证实贝尔不等式的违背，我们得以确认了量子力学中的非局域性，即量子纠缠的存在。这意味着纠缠粒子之间的相互作用不受时间和空间距离的限制，违背了经典物理中的局域实在论观念。这对我们理解自然界中粒子之间的联系和相互作用提供了全新的视角。
实在性的挑战：贝尔不等式的违背暗示了隐藏变量理论无法完全描述量子系统的行为。实在性假设认为物理系统的属性在进行测量前就已经存在，并受到测量方式和测量者的选择的影响。然而，贝尔不等式的实验结果表明，量子力学的描述更符合随机性和概率性，而非确定性的实在性假设。
观念的转变：贝尔不等式的研究推动了人们对于自然界本质的思考。传统的经典物理观念受到了挑战，人们开始接受量子力学的非局域性和概率性描述。这种观念的转变对于我们对于现实世界的认知和探索，以及对于量子技术和量子信息科学的发展具有重要的影响。
量子信息科学的发展：贝尔不等式的研究为量子信息科学的发展提供了基础。量子纠缠作为一种资源，被广泛应用于量子计算、量子通信和量子密钥分发等领域。了解和利用量子纠缠的特性，可以帮助我们开发更高效、更安全的量子技术，推动信息科学的前沿研究。
总之，贝尔不等式的研究揭示了量子力学与经典物理观念之间的差异，并对我们对于自然界的认知和理解产生了深远的影响。它推动了量子非局域性的确认、实在性假设的挑战，促使观念的转变，并为量子信息科学的发展提供了重要的基础。
贝尔不等式的实验结果表明量子力学更符合随机性和概率性，而不是确定性的实在性假设。这可以通过以下方式理解：
实验违背了局域实在论：贝尔不等式的实验结果违背了局域实在论的预期。局域实在论认为物理系统的属性是先验确定的，不受测量方式和测量者选择的影响。然而，实验证实了纠缠粒子之间的非局域性关联，即使在它们之间存在很大的空间距离，它们之间的相互作用也是瞬时的。这种非局域性关联违背了局域实在论的基本假设。
统计性的测量结果：贝尔不等式的实验结果表明，当进行纠缠粒子的测量时，它们的测量结果并不总是能够被实在性假设所预测。相反，这些结果在统计上展现出随机性和概率性的特征。在实验中，通过对大量的纠缠粒子进行测量，统计结果显示出与经典物理模型不一致的概率分布，而更符合量子力学的预测。
非局域性的相关性：贝尔不等式的实验结果还显示了纠缠粒子之间的非局域性相关性。当两个纠缠粒子进行测量时，它们的测量结果之间存在着密切的关联，这种关联是无论它们之间有多远都存在的。这种非局域性关联违背了经典物理模型中局域实在论的基本假设，其中物理系统的属性被认为是本地决定的。
综上所述，贝尔不等式的实验结果表明了量子力学更符合随机性和概率性的描述。实验违背了局域实在论的假设，统计性的测量结果与实在性假设的预测不一致，并揭示了纠缠粒子之间的非局域性相关性。这些实验结果支持了量子力学的描述，即在微观量子领域中，概率性和随机性是系统行为的基本特征。
Let There Be Life
我的使命是证明量子物理学可以解决生物学中最大的谜团。
量子知更鸟
在量子生物学中，生命如一场量子法则主宰的概率游戏。
鸟类迁徙过程中为何能精确导航？量子知更鸟The Quantum Robin通过地球磁场导航。
知更鸟眼中的化学反应和量子纠缠有关。亚原子粒子确实是纠缠的，这意味着它们可以巧妙且即时地在空中相互影响。
量子鼻
量子振动quantum vibrations
气体分子和受体匹配的锁-钥匙机制存在一些问题，比如苯甲醛、氰化物都有杏仁味，但这两种分子结构差异很大。
量子生物学认为我们没有闻到气体分子，而是正在倾听它们。嗅觉不仅仅与气体分子的形状有关。……新的奇异的嗅觉量子理论与振动键（vibrating bonds）有关。
化学分子正在为我们的鼻子演奏音乐。想象一下，我鼻子里的一个受体分子就像我的吉他。在它发出声音之前，一种气体分子必须进入我的鼻子，当气体分子就位时，它的化学键提供了弦，而且已经准备好演奏了。受体分子包含量子粒子——电子，当它们从一个原子跳到另一个原子时，它们会让气体分子的键产生振动就像我的手指拨动吉他上的弦。这个理论的非凡之处在于它告诉我们我们的嗅觉是由于分子的振动，或波状的行为，而不全是由于特定气体分子的形状。我们的嗅觉更像我们的听觉。
苯甲醛、氰化物结构不同，但它们的化学键恰好以相同的频率振动，故都有杏仁味。
不同的振动对应不同的气味，只要能改变分子的振动方式，便能改变分子的气味。
果蝇实验提供了确凿的证据，证明嗅觉量子理论确实有效。但最终，它和锁-钥匙机制共同影响嗅觉。气味分子先和受体匹配，然后由分子振动接管。
量子青蛙
蝌蚪的变态发育从来没有被完整解释过。这个过程为何如此快？
酶enzymes
实验：肝酶催化过氧化氢分解
酶分解了蝌蚪的尾巴中的胶原蛋白等。
为什么酶分解化学键的速度如此之快？？？
在量子世界中，质子不需要不需要越过”障碍“。它们可以直接穿过障碍。
隧穿效应是量子力学最奇怪的核心，
隧穿效应（tunneling effect）是一种量子力学现象，描述了微观粒子在经典物理学中无法穿越的能垒（势垒）时，以概率方式通过该能垒的现象。经典物理学中，如果一颗粒子没有足够的能量来克服势垒，它将被完全反射回去，无法通过势垒。
然而，在量子力学中，根据波粒二象性的原理，物质也具有粒子和波的双重性质。当一颗粒子遇到势垒时，其波函数会在势垒两侧形成一定的概率分布。这意味着，尽管粒子没有足够的能量来克服势垒，但存在一定的概率它能够穿透势垒并出现在势垒的另一侧。
隧穿效应可以应用于多个领域，包括纳米技术、电子器件、核物理学等。例如，在扫描隧道显微镜中，通过利用隧穿效应，可以将电子从探针尖端通过样品表面的势垒，实现对样品的高分辨率成像。在半导体器件中，电子通过隧穿效应在隧道二极管中传导，这是实现高速电子器件的基础之一。
隧穿效应是量子力学的重要概念，它揭示了微观世界中粒子行为的奇特性质，与经典物理学有着本质的区别。
在核物理学中，隧穿效应在以下几个方面发挥重要作用：
核衰变：隧穿效应是解释放射性核衰变的基本原理之一。放射性核衰变是指不稳定核素自发地转变为其他核素释放辐射的过程。在一些核衰变模式中，原子核需要克服一个势垒才能转变为更稳定的状态。根据隧穿效应，尽管核能量不足以克服势垒，但核子仍有一定的概率通过势垒并发生衰变。
核聚变：在核聚变反应中，轻核通过克服库仑斥力的势垒，融合成更重的核。由于核反应中涉及的粒子具有波粒二象性，存在一定的隧穿概率。这使得在较低温度和能量条件下，即使粒子没有足够的能量来克服库仑斥力，核反应仍然可能发生。
核反应速率：隧穿效应也影响核反应的速率。在核聚变或核裂变反应中，隧穿效应可以增强粒子的概率穿越能垒，从而加快反应速率。在核聚变研究中，通过调整反应条件、提高粒子能量等方法，可以利用隧穿效应来增加反应速率。
总的来说，隧穿效应在核物理学中解释了一系列重要现象，包括核衰变、核聚变和核反应速率。它揭示了微观世界中粒子行为的量子特性，并对核物理研究和应用产生了深远影响。
没有量子隧穿效应，太阳就不会发光。隧穿最大的特点是速度快。
化学键一般都是结，酶把强结变成弱结。
量子树
欧洲落叶松European larch
光合作用photosynthesis第一个关键步骤就是捕获太阳的能量。它的效率接近100%，比任何人类技术都要优越得多。
激子（exciton）在细胞内并不是按随机路径行进。
植物遵循所有量子力学中最著名的定律——不确定性定理。理论认为你永远不能确定激子的位置，相反，它的行为就像一个量子波，在整个细胞中荡漾。激子不是简单地从A点移动到B点，以一种奇特但非常真实的方式，它在同一时间向各个方向移动，它像波浪一样扩展开来。这样它就能同时探索所有可能的路径。这触碰到量子力学中非常独特的核心。激子波并非朝着某个方向行进，它同时遵循所有路径。这使它效率惊人。
光合作用是植物和某些细菌中的一个关键过程，通过光合作用，它们能够利用光能将二氧化碳和水转化为有机物质（如葡萄糖）和氧气。光合作用可以分为两个主要步骤：光反应和暗反应。下面是光反应的步骤：
光能吸收：叶绿素是光合作用中的主要色素，它能够吸收光能。当叶绿素分子吸收光子时，其电子获得能量并跃迁到高能态。
光能转化：吸收的光能通过电子传递链转化为化学能。在光合作用中，光能被传递到叶绿素分子中心的反应中心，通常是光系统II（PSII）和光系统I（PSI）。
光解水：在光系统II中，高能电子从叶绿素分子被释放出来，同时水分子被光解为氧气、氢离子和电子。这个过程产生的氧气是我们呼吸所需的。
光能转移：释放的高能电子通过一系列叶绿素分子进行传递，最终到达光系统I。
光还原NADP+：在光系统I中，高能电子被传递到叶绿素分子中心的反应中心，并与辅助色素（如叶黄素）和还原型辅酶NADP+（NADPH）结合。这个过程将光能转化为化学能，并产生NADPH。
综上所述，光反应是光合作用的第一步，它发生在叶绿体的膜系统中，利用光能将水分子光解并转化为化学能（ATP和NADPH）。这些化学能将在光合作用的下一步骤——暗反应中用于将二氧化碳转化为有机物质。
暗反应（也称为Calvin循环或碳固定）是光合作用的第二个主要步骤，它发生在光反应之后。暗反应将光反应中产生的化学能（ATP和NADPH）用于将二氧化碳转化为有机物质（如葡萄糖）。以下是暗反应的步骤：
碳固定：在暗反应的第一阶段，称为碳固定阶段，二氧化碳（CO2）进入植物叶绿体中，与一种五碳化合物称为RuBP（磷酸核糖酮糖-1,5-二磷酸）反应。这个反应由酶RuBisCO（磷酸核糖酮糖羧化酶/氧化酶）催化。结果产生一个六碳化合物，立即分解成两个三碳的化合物，称为3-磷酸甘油酸（PGA）。
还原PGA：在暗反应的第二阶段，称为还原PGA阶段，PGA被还原为更高能态的化合物。这个过程使用光反应中产生的化学能ATP和NADPH。首先，每个PGA接受一个磷酸（P）基团，由ATP供能，形成1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPGA）。然后，1,3-BPGA在NADPH的作用下被还原为3-磷酸甘油酸（G3P）。
产物生成：在暗反应的第三阶段，称为产品生成阶段，一部分的G3P离开循环，并用于合成葡萄糖和其他有机化合物。其余的G3P继续循环用于再生RuBP，以维持碳固定的持续进行。为了将G3P转化为RuBP，需要消耗额外的ATP。
RuBP再生：在暗反应的最后阶段，称为RuBP再生阶段，剩余的G3P通过一系列化学反应被重排和修饰，最终重新形成RuBP。这个过程需要额外的ATP和一些中间产物。
通过这些步骤，暗反应将二氧化碳转化为有机物质，主要是葡萄糖。葡萄糖可用于供能、储存和合成其他有机化合物，是植物生长和维持生命所必需的。
激子（exciton）是指在某些材料中形成的一种激发态，由电子和与之紧密关联的空穴组成。在固体材料中，由于电子和空穴的相互作用，它们可以形成一对带有共同状态的粒子，这对粒子就是激子。
激子的形成通常需要两个主要成分：激发的电子和生成的空穴。当材料中的电子被吸收光子或其他形式的能量激发时，它们会跃迁到材料的能带中较高的能级。这样的跃迁会在原子或分子离子中留下一个空位，也就是空穴。电子和空穴之间通过库仑相互作用相互吸引，形成了一个束缚态，即激子。
激子可以在材料中传播和扩散，而不是单个电子或空穴独立移动。它们的运动和相互作用对于材料的光学和电学性质具有重要影响。例如，在半导体材料中，激子的形成和迁移对于光电转换和光学吸收等过程起着关键作用。
激子的性质和行为受到材料的能带结构、晶格结构和温度等因素的影响。在一些特殊的材料中，激子可以表现出长寿命和扩散长度，因此在光电器件和光电子学领域具有重要应用。
量子蜗牛
最终问题：量子物理学在进化机制中扮演何种角色？
达尔文与自然选择理论
量子力学能解释蜗牛是如何得到它的壳吗？
进化依赖于物种的变异。有伪装的蜗牛更有可能生存和繁殖，把它们的外壳传给下一代，这样整个物种就能更好地适应（环境）。所以，变异-蜗牛之间的随机差异是它们演化的驱动力。
实验：分析DNA分子结构
碱基base
半保留复制
突变（mutations）
氢键之间的质子跃迁能造成基因突变。
质子跃迁和量子”幽灵“（量子隧穿效应）有关，较重的粒子更有可能被弹回来。