迷人的量子力学-X射线视力和核磁共振成像

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：尽管这项研究取得了成功，他的资助机构却对他宣称的“X射线视力”提出了质疑，并终止了对他的资助。我现在提及的这种设备已在大多数医院和诊所普及，它就是核磁共振成像。于是，核磁共振成像的构想开始形成。如图19-2所示，核磁共振成像使我们得以探测一组三包巧克力花生酱杯糖果的内部秘密，通过应用高级量子力学，我们可以确认在巧克力涂层之下的确包裹着美味的花生酱。图19-2三包巧克力花生酱杯糖果的核磁共振成像示意图。

1963年，在罗杰·科曼执导的科幻题材影片《X：有透视眼的男人》中，詹姆斯·泽维尔医生在寻找改善病人护理方式的过程中，研制出一种类似眼药水的血清，这种血清能让人透视固体物质。为了获得合理、可靠的实验结果，他舍弃了动物实验，在他自己身上进行测试，并因此获得了透视人体能力。尽管这项研究取得了成功，他的资助机构却对他宣称的“X射线视力”提出了质疑，并终止了对他的资助。这对任何科学家而言都无异于致命一击。不过，这种透视人体的能力，成功地拯救了一个孩子的生命，因为他发现这名小女孩即将接受的手术是不必要且无效的。不幸的是，泽维尔医生的X射线视力变得越发强大，以致闭上眼睛或是佩戴墨镜都不能令他获得喘息之机。《圣经》中所言“如果你的一只眼睛使你犯罪……”是这部影片结局的关键所在，由此可知，善良的医生最终未得善报。

幸运的是，我们可以安全地透视人体内部，检查他或她体内的器官，辨识健康组织和肿瘤，而不必承受像泽维尔医生那样的灾难性后果。我现在提及的这种设备已在大多数医院和诊所普及，它就是核磁共振成像（简称MR1）。这种医疗手段能够生成精细的高分辨率人体内部图像，生动地诠释了我们如何在20世纪二三十年代的科学家们对于主宰原子和光的运行规律的强烈好奇心的驱使下，对事物的量子本质有了深入理解，以及如何促成了50年前的未来学家预测不到的技术大发展。

我们在判断基本亚原子粒子会遵循哪种形式的统计规律（是费米—狄拉克统计，还是玻色—爱因斯坦统计）时，利用了它们的内禀角动量。尽管在描述二极管和晶体管的物理学原理时，我们并没有直接引入自旋的概念，但它对于我们理解固态金属和固态绝缘体的本质是非常重要的。斯特恩和格拉赫最早运用与自旋相伴而生的内部磁场，测量到亚原子粒子的自旋；远程探测由原子核中的质子自旋产生的磁场，则使核磁成像得以实现。

人体的主要成分是水，水分子是一个氧原子和两个氢原子通过共价键结合而成。每个氢原子核中都含有一个质子，该质子的内禀动量值为±/2，而且它有一个小的内部磁场，有南北两极。当我们将水分子置于外部磁场中时，氢原子中质子的磁场方向既可与外部磁场相同（当外部磁场的北极向上时，它的北极也向上），也可与外部磁场相反（外部磁场的北极向下时，它的北极向上）。原子核中的质子拥有一系列被允许的量子能级，恰如电子有它可能的能量态。如果质子的磁场与外部磁场方向相同，它就会处于一个较低能量态。如果质子的磁场方向与外部磁场相反，它就会拥有较高的能量。图19-1表明，将氢原子放在强磁场的两极之间，被单个质子占据的能级将会分成两个差别很大的能量值：当质子的磁场方向与外部磁场相同时，质子的能量将比没有外部磁场时更低；相应地，如果质子的磁场方向与外部磁场相反，质子的能量将比没有外部磁场时更高。

假设质子的磁场与外部磁场方向相同，处于较低能量态［图19-1（b）］。如果我们以光子的方式提供能量，就可以使质子跃迁至较高能量态，即质子的磁场方向与外部磁场方向相反的状态。这种共振吸收产生的光谱与一个原子中电子可能的能级产生的线性光谱非常相似。光子为质子的内部磁场的反转提供了能量，比如从向上变为向下。这就如同我有一个顺时针旋转的陀螺，我可以利用适当的能量脉冲来使它变成逆时针旋转。

图19-1　没有外部磁场（图a）与有外部磁场（图b）时氢原子核中单个质子的能级示意图。在第二种情形中，如果质子的内部磁场方向与外部磁场相同，质子的能量将会降低；如果内部磁场与外部磁场的方向相反，质子的能量则会升高。图中质子的自旋方向与外部磁场相同，因而处于较低能量态。如果质子的自旋方向与外部磁场相反，则质子会处于较高能量态

外部磁场越强，质子能级的差别程度就越大。也就是说，相比较弱的外部磁场，当质子处于较强的外部磁场中时，需要更多的能量来使质子磁场反转。如果将氢原子置于相当于地球磁场20000～60000倍强度的外部磁场[1]中，当质子磁场分别与外部磁场同向和异向时，前一种情况的质子能量是后一种情况的百万分之一。相比之下，水分子中氢原子与氧原子的结合能接近5电子伏特。我们在第2章中曾经提及爱因斯坦的理论，即光子的能量与它的频率成比例（E=h×f）。能够使质子磁场从一个方向反转到另一个方向［如图19-1（b）所示］的光子，处于电磁波谱的无线电波部分。正因为这种形式的电磁辐射能够穿透人体（这就是为什么即便你身处晶体管收音机和天线之间，仍然可以收听广播节目），这一能量范围的电磁波非常适合探测人体中质子的磁场方向。

于是，核磁共振成像的构想开始形成。将人体置于巨大的磁场中，其强度足以使人体内的每个水分子中的质子都产生可在实验中检测到的能量变化。向人体直接发射无线电波，使质子的磁场从一个方向变为另一个方向，如果被吸收的光子越多，水分子的数量就越多。那么，我们如何确定无线电波是否被吸收了呢？高强度地暴露于无线电波，将会使许多质子从低能量态跃迁至较高能级。当射频光被关掉后，氢原子的质子就会回至较低能量态，并发射出光子。在这一过程中，人体将会“在黑暗中发光”，即发射出能够被探测到的射频光，这种光也是共振吸收的标志。由此我们可以测量出在人体内的主要部分，因磁场变化而同向排列的质子数量。[2]

我们是如何获得关于人体横断面的高分辨率图像的呢？通过改变磁场的强度，使磁场在人体左侧时强度变小，而在人体右侧时强度增大，其强度从一侧到另一侧呈线性增加。因为能量差取决于外部磁场的强度，所以它在左侧会比较小，而在右侧则会比较大。因此，能引起质子磁场反转的最小能量，同样是右侧大于左侧。通过改变无线电信号的频率，我们就能分别测量出人体左、中、右部吸收的光子总量。利用围绕在人体周围的圆柱体中的辅助磁体，我们可以得到空间分辨率的质子密度信息。如图19-2所示，核磁共振成像使我们得以探测一组三包巧克力花生酱杯糖果的内部秘密，通过应用高级量子力学，我们可以确认在巧克力涂层之下的确包裹着美味的花生酱。

图19-2　三包巧克力花生酱杯糖果的核磁共振成像示意图。它为我们对比巧克力涂层和内部填充物提供了基础，让我们不需要咬破糖果就能证明花生酱的存在（尽管我们愿意为科学研究做出这样的牺牲）。感谢明尼苏达大学的布鲁斯·哈默尔教授提供该图片

但是，人体内的所有细胞都有水分子，因此人体中所有的位点上质子吸收光子的现象都很明显。那么，明暗对比从何而来？来自能显现出核磁共振吸收信号的其他元素，比如钠、磷、碳、氧、氮和钙。这些元素的无线电波共振频率与氢元素不同，因此能够和单个质子的信号区分开。然而，更加强大的技术涉及的并不是磁感应信号本身，而是信号消失和再次出现的方式。

在外部磁场的作用下，水分子中大量氢原子的质子会与外部磁场同向排列，这样一来几乎所有较低能量态都会被占据；而质子的磁场方向与外部磁场方向相反的较高能量态，则较少被占据。[3]在射频光的持续照射下，越来越多的质子跃迁至较高能量态，直到处于较高能量态（磁场向下）的质子数目与处于较低能量态（磁场向上）的质子数目相等。此时，质子所具有的净磁化强度为零。现在停止光照，处于较高能量态的质子将回到较低能量态。这一过程的特征时间对于水分子所处的环境高度敏感，因为质子磁场极化的难易程度取决于质子的磁场与其他原子热振动的相互作用，以及质子的磁场与它周围其他元素的原子磁场的相互作用这两个方面。通过细致的实验，人们发现净磁化强度的恢复对时间的依赖程度，在人体内不同的组织中不尽相同，这就为所得图像中的明暗对比提供了基础。我们可以根据磁化时间的不同，检查血管堵塞、囊肿或增生，并判断肿瘤是否为良性。通过仔细测量质子恢复到初始磁化强度这一过程需要的时间，能够实现从前需要依靠“X射线眼”才能完成的那种全面彻底的诊断。(www.chuimin.cn)

当然，应用核磁共振成像来产生三维图像，还需要解决一大堆复杂的技术问题。我并不打算把如何制造成像装置的方法告诉你，而只会解释它背后的基本量子力学原理。毋庸置疑，如果没有应用固态集成电路的高速计算机来记录、存储和分析射频吸收数据，上述一切都将毫无意义。因此，从某种意义上来说，量子力学分别在两个独立的层面上使核磁共振成像成为可能。

如果能用核磁共振成像设备来检查患者的体内器官，从而做出医疗诊断，詹姆斯·泽维尔医生就可以避免悲剧命运。X战警的变种人领袖、世界上最强大的心灵感应者查尔斯·泽维尔教授（二人并无亲属关系），可以通过类似的手段读取人们的思想。这一点核磁共振成像恐怕无法做到，但通过使用功能性核磁共振成像（fMRI），我们能够确定一个人正在使用大脑的哪个区域，并由此推断出他们正在想什么。[4]

你体内的所有细胞都有特定的功能，而且需要消耗能量来完成人体指派给它们的任务。神经细胞通过生产和传输电压及离子流来处理信息。当我们吃东西时，我们摄取了原本由植物产生的储存了化学能的分子，植物利用来自太阳光子的能量制造复杂的糖分子。每个细胞内的线粒体利用这些糖来合成三磷腺苷（ATP），并释放一些存储的能量，细胞可以用这些能量来发挥各自不同的功能。产生ATP的化学反应，是由氧气分子（与葡萄糖）的结合和二氧化碳分子的释放引起的。因此，无论何时，假如一个细胞处于活跃的工作状态，特别是持续处于这种状态，为了维持产生ATP所需的足够的氧气分子，流向这个细胞的血液流量就会增加。通过观察血液的流向，我们就能确定哪些细胞最为活跃。

神经元不存储葡萄糖，一旦你开始进行脑力劳动，几秒钟之后，含有活跃神经元的区域的血流量就会增加。大脑约占身体总质量的3％，却消耗了全身总能量的20％。根据你正在进行的任务，去使用大脑的不同区域：坐着读这本书，或者边走边读这本书，或者边洗澡边读这本书。因此，通过检测大脑的哪些区域正在接收更多的含氧血液，而无须直接观察这个人，我们就能弄明白他正在从事什么活动。这种通过血流量变化来确定大脑活动的技术，其真正力量在于区分不同的大脑活动——到底是在进行心算，还是在回忆一个美好的夏天。在这种情况下，人脸上安逸的微笑并不会透露出他正在进行哪种思考。

当对一个人的大脑进行核磁共振扫描时，空间分辨率可以达到毫米级别，时间分辨率可以达到1～4秒。一方面，当红细胞负载氧气时，它们是反磁性的，这意味着它们的内部磁场方向与外部磁场相反。另一方面，脱氧血红蛋白是顺磁性的，也就是说，它们的内部磁场方向与外部磁场一致，但在没有外部磁场的情况下，不存在净磁化作用。我们可以利用核磁共振成像技术来检测大脑皮层深处的区域，并确定它的血流速度。通过测量饱和的射频辐射停止后净磁化强度对时间的依赖性，我们可以判断出大脑中的哪个区域需要额外的氧气和能量。

阿尔弗雷德·贝斯特在他1953年的小说《被毁灭的人》中，写出了在一个几乎所有人，尤其是警察，都受控于心灵感应的世界里，本·赖克在实施谋杀并掩盖真相的过程中所面临的困难。逻辑思维、洞悉他人默想之事的能力，长久以来一直是科幻小说的一个特征。在西奥多·斯特金的小说《超人类》《宇宙掠夺》，以及哈默尔的电影《魔童村》中，角色之间所展现出来的合作行为，都要以不同人类个体间神经元活动的远程连接能力作为前提。当然，一台功能性核磁共振成像设备要比科幻小说、杂志和漫画书中经常描述的简洁的“心灵感应”的头盔大得多，而且这项技术只能提供关于人脑中血流量的信息。尽管质疑声不断，但有些人相信，终有一日这种技术能够应用于精确的测谎仪，帮我们直接感知一个人的思想和意图。量子力学已经把我们带入了50年前的科幻作者难以想象的世界，现在，它正在把科幻世界中的一些想象变成现实。

[1]这就是为什么在磁体处于工作状态时，人们不能将不相关的金属物体带进核磁共振成像室。

[2]实际上，无线电波信号是连续不断地打开和关闭的，但是我们探测到的是当整个体系回到较低能量态时发射出的无线电波。

[3]因为人体的温度是37摄氏度，即使没有无线电波频率的光，也有足够的热能让质子跃迁至较高能量态。增加外部磁场的强度会增大不同能量态之间的能量差，这样在黑暗中会发现更少的质子。一台核磁共振成像设备的检测灵敏度相当高，它能够探测到在无线电波的作用下跃迁至较高能级的那一小部分质子。

[4]这项技术还停留在实验阶段，因此你还不用购买“锡箔帽”。

迷人的量子力学-X射线视力和核磁共振成像

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