主题：【原创】量子生物学 I 摘要和前言 -- witten1

以下是我酒足饭饱没事干时产生的（可能很不专业的）想法。

引子

乍看起来量子生物学这个名词多少有些古怪， 因为微观的生物研究应该是建立在化学基础上的（是这样吧），而化学是要从 （非相对论性）量子力学导出。 而且至少对简单的分子是可以从薛定谔方程出发研究的（不是有量子化学么）。这里我想强调的是 和流体力学以及统计力学不同，化学只能从量子力学出发 而不能从经典物理出发来理解。 所以现有的 分子生物学 生物化学 之类， 因为化学的原故，难道不已经是 “量子生物学”了吗？

可是事情没那么简单。 我不知道有没有什么重要的生物学成果是从 薛定谔方程出发 导出的， 我猜没有。也就是说我估计 化学是绕不开的。 我指的是 真正重要的生物化学机制的核心 处在这样一个区间：一方面这机制必须建立在化学理解上，另一方面它无法直接建立在薛定谔方程（原子物理学）上。

从这个意义上讲 这时的生物是 “唯象化学-生物学”（这里的 “唯象化学” 指的是不还原为 原子物理学/薛定谔方程 的化学）。

当然有时候人们也会运用一些流体力学，统计力学甚至经典电磁场理论的东西。这时的生物学 可以叫做 “非相对论性经典物理学-唯象化学-生物学” （前两个词是形容词！）。

两种量子生物学

一个很有野心的想法 是直接从（非相对论性）量子力学出发 研究 生物化学过程的机制。如果能实现， 这应该被称为 “非相对论性量子生物学”。当你提到“量子生物学”时，我脑海中第一个涌现的就是这个东西。

然而从你的描述看，你所谓的量子生物学 却并非我所定义的非相对论性量子生物学。你介绍的研究似乎可被命名为 “非相对论性量子效应生物学”。这里的“量子效应”指的不是原子物理学中的微观量子效应， 而是大得多的介观甚至宏观尺度下的量子效应。 除了尺度，另一个重要特点是 这些效应不能用唯象化学来解释。（顺便问一下你说的“量子相干”是entanglement 吗？）。

一个比方

我感觉这里的情况类似于物理中的以下情形。

1。通常所说的流体力学 首先建立在牛顿力学基础上。应称之为“非相对论性经典流体力学”。

2。量子力学出现后，自然的问题是如何从薛定谔方程导出传统的流体力学（如 Euler 和 Navier-Stokes 方程）。 这方面人们先是经由统计力学作为中转（如 Boltzmann 方程）来实现，这时的流体力学 从概念上看可称为“非相对论性量子力学-统计力学-流体力学”。 近年来， 理论家终于实现了绕开统计力学， 直接接通 量子力学和流体力学方程。 这时我们的理论 就可以被称为“非相对论性量子流体力学”。

如果和生物作比的话， 这里的“流体力学”相当于生物学，统计力学的作用相当于化学。 如果 你在统计力学模型中 使用未能从量子力学导出的假设（比如遍历性假设），这就类似于“唯象化学”。

3。可是如果你去找“量子流体”的研究，你不会找到上面的“非相对论性量子流体力学”（这就是我生造的一个词）。你找到的是“凝聚态物理”的领域。那里的量子流体 是诸如超流体之类的东西。如果我继续上面的比较，这种研究可以叫做 “非相对论性量子效应流体力学”（这也是我生造的一个词）。 这里的量子效应有两特点：第一， 其尺度不是原子物理中的微观尺度，而是介观宏观尺度（甚至是天体物理学的尺度，比如中子星的研究）；第二 效应不能由经典物理（包括经典统计力学）解释，这一点和传统流体力学是不同的。

我感觉 你介绍的“量子生物学”（被我称为“非相对论性量子效应生物学”） 在我这一系列比方中的位置 就相当于 “非相对论性量子效应流体力学”。

小结

我描述了我心目中的两种 量子生物学：“非相对论性量子生物学”和 “非相对论性量子效应生物学”。后者如立得住脚的话， 可能会给出一些奇妙的现象。我期待着你的翻译介绍。 不过至今为止绝大多数微观/介观生物机制 似乎都属 “非相对论性经典物理学-唯象化学-生物学”的领域，因此从理论角度看，前者（“非相对论性量子生物学”）意义恐怕更重大 （如建立得起来的话）。

当然 两种量子生物学 并非没有联系。从本质上讲，它们的主要差异属于侧重点不同。我就不详述了。

联想

我在前文中不厌其烦地使用“非相对论性”这个定语，主要是为这小节作铺垫。

你的文章中提到了“光子”，也许实验中还会有电磁场。 但我相信研究者们不会去研究 “量子场”。即对电磁场只考虑经典效应，对光子视其为非相对论性粒子（用非相对论性量子力学）。这里大家可以把“量子场”理解为 相对论性量子力学 （即狭义相对论和量子力学结合的产物）。

我希望有朝一日能出现 “相对论性量子生物学”（也可称为“量子场生物学”）。 一个直接的途径当然是发现 量子场的效应（不是非相对论性量子效应）在生物学中是有意义的。 当然我怀疑很有可能由于量子场和大分子能量尺度差太远， 这个思路是死路一条。

然而还有一条间接途径。

如果 “非相对论性量子效应生物学”能站得住脚 并发现有丰富的有生物学意义的非相对论性量子效应， 那么 凝聚态物理学的工具必渗入这一领域。一件一般的科普读者都不知道的事情是：凝聚态物理学，作为一门研究非相对论性条件下量子多体问题的学问，竟然会使用 量子场论的方法。这不是因为 有相对论效应 或者有量子场。这里的思路很曲折， 简单的讲这很大程度上是数学方法的相通。

好了。这意味着一旦 有生物学意义的非相对论性量子效应大量出现， 从纯理论上讲， 量子场论的方法被引入是完全可能的，虽然我们不认为微观生物/化学机制本身需要考虑量子场。

这就是我心目中未来可能出现（当然也可能不出现）的第三种“量子生物学”：量子场生物学。

重要补充

本文写于楼主的“量子生物学II”发表之前。看了“量子生物学II”，我感觉这更像我说的“非相对论性量子生物学”。 折合我前文中的猜测是不同的。请读者注意。