文|創(chuàng)瞰巴黎 Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

量子物理學(xué)，看似深?yuàn)W而遙遠(yuǎn)，卻在我們的日常生活和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中扮演著無可替代的角色。從激光手術(shù)刀到核物理技術(shù)人體檢查，再到反物質(zhì)檢測癌癥，這些技術(shù)的奇跡都源自對(duì)微觀世界法則的精準(zhǔn)理解。光的奇跡如何成就醫(yī)學(xué)中的高精度工具？超導(dǎo)體如何引領(lǐng)MRI技術(shù)的革新？而量子物理學(xué)如何以人體內(nèi)的微小變化揭示癌癥的位置？讓我們一起揭開這些微觀世界的奇妙面紗，探尋量子科學(xué)如何捍衛(wèi)人類健康的奧秘。

一覽：

• 大量的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療和成像技術(shù)得益于量子物理學(xué)的發(fā)展。
• 量子力學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了激光的發(fā)明，激光在在眼科和皮膚科等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。
• 正是由于量子物理學(xué)對(duì)電磁場中原子核行為的深入研究，才有了如今的核磁共振成像技術(shù)。
• 核磁共振成像設(shè)備需要超導(dǎo)體。在宏觀世界中，超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。
• 用于定位人體癌細(xì)胞位置的PET檢查，使用的是粒子物理學(xué)原理。

量子物理學(xué)的研究對(duì)象是原子和更小粒子的行為。掌握量子物理學(xué)，理論上就能推斷出微觀乃至宏觀物質(zhì)的基本物理規(guī)律，甚至人體也不在話下！畢竟人體也是由原子和分子組成的大型、高度復(fù)雜集合體，同樣該遵守微觀世界的法則。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，量子物理學(xué)占據(jù)著舉足輕重的地位。今天，讓我們看看微觀世界的規(guī)律是如何捍衛(wèi)人類健康的！

01 激光手術(shù)刀

說來可能讓人驚訝，但光其實(shí)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中最高精度的工具之一。當(dāng)然，這說的可不是普通的光，而是一束經(jīng)過完美校準(zhǔn)的激光光束：所有的光子具有相同的能量，所有的光波彼此之間完全相干。

根據(jù)量子力學(xué)，原子具有特定的一套能級(jí)，通常這些能級(jí)是分立的，原子中的電子吸收能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再從高能級(jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出，這些光子的光學(xué)特性高度一致，于是便形成了激光。

激光的原理早在1917年便由愛因斯坦提出。1960年，激光技術(shù)走向成熟，隨后立即在眼科（1961年）和皮膚病學(xué)（1963年）中得到應(yīng)用。今天，激光用于治療視網(wǎng)膜脫落、處理傷口、清除微小癌性腫瘤、精確切割和研磨角膜、進(jìn)行治療牙齦疾病的手術(shù)等，還能洗紋身、抗皺、脫毛……

02 核物理技術(shù)人體檢查

MRI（核磁共振成像）是目前最廣泛使用的成像技術(shù)之一，其基本原理是將氫原子核置于強(qiáng)磁場中，觀察其行為。為什么要選擇氫原子核？因?yàn)闅涫撬℉2O）的主要成分，而水占人類總質(zhì)量的60%左右，沒幾種生物分子完全不含氫。

MRI的具體原理如下：氫原子核是單個(gè)質(zhì)子，可以將其視為一個(gè)個(gè)微小的磁體。在正常情況下，人體沒有被磁化，體內(nèi)的每個(gè)氫原子核的自旋方向是隨機(jī)的。

MRI的第一步是讓患者進(jìn)入一個(gè)極強(qiáng)的磁場中（大約等于地球自然磁場強(qiáng)度的3萬倍），在磁場的作用下，體內(nèi)原來雜亂無章的質(zhì)子會(huì)統(tǒng)一按外磁場方向排列。在主磁場的基礎(chǔ)上，儀器又會(huì)施加一個(gè)射頻脈沖（radiofrequency pulse），打破先前的平衡。當(dāng)質(zhì)子回到初始狀態(tài)時(shí)，就能檢測到它們發(fā)射回來的RF波。

由于不同人體組織的物理特性不同，質(zhì)子不會(huì)以相同的速度返回到初始狀態(tài)，由此便可在成像中區(qū)分各個(gè)組織，呈現(xiàn)身體的3D圖像。如果沒有量子物理學(xué)、不掌握電磁場中原子核行為的規(guī)律，這種先進(jìn)的體外成像技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)。

03 物質(zhì)的狀態(tài)

極罕見的物質(zhì)狀態(tài)，是世界各地的基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的研究對(duì)象，也是未來醫(yī)學(xué)成像發(fā)展所必需。

“在宏觀世界中，超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)?！?/p>

MRI使用的是極強(qiáng)烈的磁場；強(qiáng)度越強(qiáng)，磁化態(tài)恢復(fù)到初始平衡時(shí)發(fā)出的信號(hào)就越強(qiáng)，生成的圖像質(zhì)量就越高。如果用傳統(tǒng)的電磁鐵來產(chǎn)生MRI所需的強(qiáng)磁場，強(qiáng)電流發(fā)出的熱量會(huì)將人體瞬間融化。

為了克服這個(gè)問題，MRI設(shè)備中使用的是電阻為零的“超導(dǎo)磁體”：不會(huì)因電流而發(fā)熱，即使強(qiáng)電流長時(shí)間通過也不會(huì)有危險(xiǎn)，就算電源被切斷也不會(huì)有任何電流損失。

在宏觀世界中，超導(dǎo)體是少數(shù)仍能體現(xiàn)純量子規(guī)律的物質(zhì)。超導(dǎo)體中的電子就像單一的超流體，流動(dòng)時(shí)沒有任何阻力。超導(dǎo)元件也可以用于腦磁圖技術(shù)，在體外以非侵入性的方式實(shí)時(shí)記錄大腦的活動(dòng)電波。

04 反物質(zhì)檢測癌癥

怎么使用醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)的癌變部位、檢測癌癥的發(fā)展呢？這個(gè)問題的突破點(diǎn)是癌細(xì)胞的高活性。癌細(xì)胞總是在瘋狂分裂，消耗大量能量，即糖類物質(zhì)。

在做PET檢查前，患者要服用放射性標(biāo)記的糖，每個(gè)糖分子上都附著一個(gè)放射性原子（例如氟18），衰變時(shí)會(huì)發(fā)射反電子（也稱為正電子）。

“通過追溯伽馬射線的軌跡，可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置，從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置。”

患者攝入的糖會(huì)積累在體內(nèi)消耗大量能量的地方（那里一般就是腫瘤區(qū)域），并發(fā)射反電子，當(dāng)它們與周圍物質(zhì)的“正?！彪娮咏佑|時(shí)，會(huì)湮滅并產(chǎn)生能穿過身體、能在體外檢測到的伽馬射線。通過追溯伽馬射線的軌跡，可以找到物質(zhì)—反物質(zhì)湮滅現(xiàn)象發(fā)生的位置，從而確認(rèn)癌癥腫瘤的位置。這種方案十分巧妙，但與MRI類似，如果人類不掌握相關(guān)的粒子物理學(xué)知識(shí)，PET技術(shù)就不可能實(shí)現(xiàn)了。

圖片來源：PI France

量子物理學(xué)是人類日常生活中不可或缺的一部分，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用是大勢所趨。沒有量子物理學(xué)，就沒有許多先進(jìn)治療手段和成像技術(shù)。大家千萬不要以為量子物理學(xué)、粒子物理學(xué)和核物理只不過是實(shí)驗(yàn)室里的研究課題——這些學(xué)科的實(shí)際應(yīng)用每天都在拯救成千上萬人的生命。