物理学使“衰老”变得不可避免
4年前，在我出版《生命的棘轮》一书时，我关注的重点是，在周围的分子一片混乱的情况下，生命是如何创造并维持那些高度有序的系统的——也就是分子是如何被安装上“棘轮”、“从混乱中提取秩序”的。令我感到惊讶的是，这本书在衰老研究领域引起了极大的反响。美国国家衰老研究所心血管科学实验室的主要负责人埃德·拉科塔说，衰老是从“秩序中提取混乱”。 最近，我应邀为“鹦鹉螺”网站专门撰写了文章，谈到了这些观点，也收到了数量相当可观的评论，比如：①我们是开放的热力学系统，因此不会遵循熵不断增加的规律（因为我们总是可以从环境中获得更多的低熵能量）;②我们的细胞有一个修复系统，可以处理可能发生的任何损害;③现实中就存在“永生的”细胞和生物体，与我宣称的“衰老不可避免”相互抵触。那么，这些评论究竟有没有道理呢？
第一条和第二条评论的答案基本相同：完全正确。我们是（热力学）开放系统，这一点我在《生命的棘轮》中详细介绍过。低熵能量的摄入，正是我们在分子学机制上可以从分子混乱中提取秩序的原因。然而，分子混乱是始终存在的，从微观角度来说，我们细胞中的分子总是在不断受到损伤。与其他的热力学开放自组织系统不同，如飓风，生命系统有着令人难以置信的严格控制的系统，包括复杂的连锁反馈和调节回路。这些反馈回路都依赖于高度适应性和构建性的分子机器，由未被损坏的DNA提供蓝图，并及时、准确地进行调整并发出信号。这些系统在分子、细
胞器、细胞、细胞相互作用、组织、器官以及生物体的层次结构上相互作用，有很多内置的储备、冗余和修复系统。 然而，这些系统中的某些部分最终会受到细微的损伤，比如能源供应放缓、信号链变得分崩离析、反馈回路定时有点失常、损坏的分子不能被清除出细胞等，从而在细胞中累积，导致分子机器功能懈怠，或者无法被激活。这种功能的丧失会进一步导致其他系统功能的丧失，因为在生物体中，所有系统之间是相互依存的。这将导致故障的雪崩式增加。“永生水母”的学名是灯塔水母，直径只有四五毫米，属于水螅虫纲。灯塔水母在20℃的水温中达到性成熟阶段需要25天至30天，性成熟后会重新回到水螅型状态，并且可以无限重复这一过程。
在一个庞大的细胞和功能系统中，这一过程的开始只是一个概率的问题。你可以尝试防止一个系统出现故障，但取而代之的是，会有更多其他系统出现故障。而那个试图阻止这一故障的系统，是依赖于其他系统的。所以归根结底，从长远来看，它是肯定会受影响的。我们细胞中的修复系统是一流的，它们使我们能够活到80岁以上，这个时间比任何与我们大小和心率相近的哺乳动物都要长。我们还能活得更长一些吗？原则上来说，修复系统是可以改进的，但是严峻的复杂性使得要想对其进行改进需要很长时间。我们受制于概率游戏，这一事实是始终不会改变的，从而使我们最终输掉这场游戏。
第三条评论提到在这个世界上有“永生的”生物。读者提到的这些“永生的”生物体，都是非常简单的生物体：典型的单细胞生物体或者至少是未高度分化的生物体。最典型的例子是细菌，还有像所谓的“永生水母”一类的动物。“永生水母”有一个逆转其生长发育过程的阶段，从本质上说，也就是“永生水母”从成虫阶段返回幼虫阶段，然后再重新发育成新的成虫。如此看来，似乎可以这样无限地延续下去，使水母“永生”。 乍一看，这似乎是不可思议的。然而，从某种意义上说，人类也做着同样的事情，我们的生殖细胞也是“永生的”。但是，这不同于一个成年复杂个体的老化。相较于在许多年中使一个复杂的有机体维持其分子和系统秩序而言，使人类生殖细胞中的DNA保持适度稳定是一个相对容易的任务。然而，即便如此，随着时间的推移，退化也会发生。这就是当父母上了岁数时，孩子的出生缺陷变得更为普遍的主要原因。 至于水母，作为一个成年个体，它们显然不是永生的，因为它们必须“死去”，以回到幼虫阶段。同时，并不是所有的水母都能成功地进行这种转换，所以水母的“永生”是从群体层面而言的。如果这就是“永生”的定义的话，那么可以说人类也是“永生”的！但是，我们通常不会使用这种定义。 还有一个重要的事情值得一提，那就是正常的人类（体）细胞也可以“永生”。这就是所谓的癌症。如果把分子紊乱比作一枚硬币的话，那么癌症和衰老就是同一枚硬币的两面。如果我们的细胞到了某个时候还没有死亡的话，那么分子紊乱和DNA损伤会不断增加细胞“耍流氓”和癌变的概率。保持我们的细胞在分裂、生长和分化时都遵守秩序的成本是严格的监管，而面对这种热力学上的猛攻以及化学损伤，严格监管的成本就是衰老。
当水母的精子和卵子结合到一起时，形成了小小的实囊幼体。但是，幼体并不走寻常路，快乐地长大，而是通常找个坚硬的石头之类一头撞上去，撞出软体的分支结构，即水螅体。 绝大多数时候，这些幼体自身分裂出微小的克隆体——就像水螅一样出芽生殖，但有些种属也特立独行。它们分离出能自由游弋的小型雄性或雌性水母，再长成成体，然后产生精子或卵子。总之就是怎么高兴怎么来，任性得一塌糊涂。 大多数水母可以在这个复杂的生命周期的大部分阶段逆转其生长态势，但一旦它们长成性成熟的成体，就失去了这种倒转乾坤的技能。 灯塔水母违背了根本的规则，特别是，即使性成熟的成体也可以反转为未发育成熟的幼体，这样它们就躲过了生死簿，实现了可能的永生。这就像一只蝴蝶突然厌倦了飞翔，又钻回虫蛹。 正如多数生物学不死机体的案例，灯塔水母的这个技能也是一个谜。看起来它们在蜕变中细胞涉及了一次异乎寻常的逆转。 水母与其他动物没有多少共同点，这也是它们无性繁殖的方式。它们的永生，在我们眼里如此奇特。转载请注明来源。
中新社北京3月15日电（记者马海燕）北京时间3月15日凌晨，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。
这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学、中国科学院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队历时4年完成。在美国物理学家霍尔1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化，这一发现是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。
由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。
美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。
“量子反常霍尔效应”研究获突破
中国科学网
由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。
量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。
“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。1988年，美国物理学家霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系［Science，329，61（2010）］。他们的计算表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。
在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”，对材料生长和输运测量都提出了极高的要求：材料必须具有铁磁长程有序；铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的带结构；同时体内的载流子浓度必须尽可能地低。最近，中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在Science上在线发表，清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位。
该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。前期，团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展，研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展，团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”，以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉。该工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会和教育部等部门的资助。（中科院物理研究所作者：薛其坤等）
导语：量子物理学，是它创造了宇宙吗？那它有源于什么呢？
由于人们对量子理论中的测量问题重新产生了极大的兴趣，
量子物理学，是它创造了宇宙吗？那它有源于什么呢？
惠勒成了量子物理的科学前辈，经常以他的声望出席众多的会议，对物理学中的意识问题入迷的新世纪的倡导者将他誉为领袖。（然而，他并不是总是对这样的参与感到高兴。有一次，他发现他与三位超心理学家被安排在同一个节目上，感到很丧气。他很快贴出一个声明，其中有这样一句话：“在有烟的地方就会有烟。”）
在经过70年对量子理论的矛盾思索之后，他是第一个承认不能得到所有答案的人。他总是对他的假设提出疑问。当有人问到量子力学中的测量问题时，他说我只是被这些问题搞得发疯了。我承认有时我百分之百地相信世界是想象中虚构的事。有时我又相信世界是不依赖我们存在的。然而，我完全赞成
莱布尼茨（Leibniz)说的话：‘这个世界也许是一个幻觉，
量子物理学，是它创造了宇宙吗？那它有源于什么呢？
存在也许只是一个梦，但是这个梦或幻觉对我来说已足够真实了，如果很好地利用理智，我们就绝不会受它的欺骗。’”
今天，多世界和去相干理论得到物理学家的普遍赞同。但是，惠勒觉得麻烦的是它要求“太多的累赘”。他给予薛定谔的猫
问题另一个玩笑般的解释。他把他的理论叫做它来自比特。”这是一个非正统的理论，出发点是假定信息是所有存在的根本。他声称：当我们看月亮、星系或一个原子时，它们的本质是储存在它们里面的信息。当宇宙观察它自己时这个信息展现出来。他画了一个圆圈，
量子物理学，是它创造了宇宙吗？那它有源于什么呢？
代表宇宙的历史。在宇宙开始的时候，由于被观察，它一跃而出。这意味着当宇宙的信息（“比特”)被观察后，宇宙物质出现。他把这个宇宙叫做“与人分享的宇宙”，即宇宙以我们适应它的方式也适应我们，也就是说我们的存在使得宇宙成为可能。（因为对于量子力学中的测量问题没有一个普遍的意见，很多物理学家对于信息是存在的根本的理论抱观望的态度。）
开心一刻：
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