文|創瞰巴黎 Pierre Henriquet

編輯|Meister Xia

導讀

量子物理學，看似深奧而遙遠，卻在我們的日常生活和現代醫學中扮演著無可替代的角色。從激光手術刀到核物理技術人體檢查，再到反物質檢測癌癥，這些技術的奇跡都源自對微觀世界法則的精準理解。光的奇跡如何成就醫學中的高精度工具？超導體如何引領MRI技術的革新？而量子物理學如何以人體內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，探尋量子科學如何捍衛人類健康的奧秘。

一覽：

• 大量的現代醫學治療和成像技術得益于量子物理學的發展。
• 量子力學的發展推動了激光的發明，激光在在眼科和皮膚科等領域發揮著巨大的作用。
• 正是由于量子物理學對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。
• 核磁共振成像設備需要超導體。在宏觀世界中，超導體是少數仍能體現純量子規律的物質。
• 用于定位人體癌細胞位置的PET檢查，使用的是粒子物理學原理。

量子物理學的研究對象是原子和更小粒子的行為。掌握量子物理學，理論上就能推斷出微觀乃至宏觀物質的基本物理規律，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、高度復雜集合體，同樣該遵守微觀世界的法則。在現代醫學中，量子物理學占據著舉足輕重的地位。今天，讓我們看看微觀世界的規律是如何捍衛人類健康的！

01 激光手術刀

說來可能讓人驚訝，但光其實是現代醫學中最高精度的工具之一。當然，這說的可不是普通的光，而是一束經過完美校準的激光光束：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。

根據量子力學，原子具有特定的一套能級，通常這些能級是分立的，原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出，這些光子的光學特性高度一致，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，激光技術走向成熟，隨后立即在眼科（1961年）和皮膚病學（1963年）中得到應用。今天，激光用于治療視網膜脫落、處理傷口、清除微小癌性腫瘤、精確切割和研磨角膜、進行治療牙齦疾病的手術等，還能洗紋身、抗皺、脫毛……

02 核物理技術人體檢查

MRI（核磁共振成像）是目前最廣泛使用的成像技術之一，其基本原理是將氫原子核置于強磁場中，觀察其行為。為什么要選擇氫原子核？因為氫是水（H2O）的主要成分，而水占人類總質量的60%左右，沒幾種生物分子完全不含氫。

MRI的具體原理如下：氫原子核是單個質子，可以將其視為一個個微小的磁體。在正常情況下，人體沒有被磁化，體內的每個氫原子核的自旋方向是隨機的。

MRI的第一步是讓患者進入一個極強的磁場中（大約等于地球自然磁場強度的3萬倍），在磁場的作用下，體內原來雜亂無章的質子會統一按外磁場方向排列。在主磁場的基礎上，儀器又會施加一個射頻脈沖（radiofrequency pulse），打破先前的平衡。當質子回到初始狀態時，就能檢測到它們發射回來的RF波。

由于不同人體組織的物理特性不同，質子不會以相同的速度返回到初始狀態，由此便可在成像中區分各個組織，呈現身體的3D圖像。如果沒有量子物理學、不掌握電磁場中原子核行為的規律，這種先進的體外成像技術就不可能實現。

03 物質的狀態

極罕見的物質狀態，是世界各地的基礎研究實驗室的研究對象，也是未來醫學成像發展所必需。

“在宏觀世界中，超導體是少數仍能體現純量子規律的物質。”

MRI使用的是極強烈的磁場；強度越強，磁化態恢復到初始平衡時發出的信號就越強，生成的圖像質量就越高。如果用傳統的電磁鐵來產生MRI所需的強磁場，強電流發出的熱量會將人體瞬間融化。

為了克服這個問題，MRI設備中使用的是電阻為零的“超導磁體”：不會因電流而發熱，即使強電流長時間通過也不會有危險，就算電源被切斷也不會有任何電流損失。

在宏觀世界中，超導體是少數仍能體現純量子規律的物質。超導體中的電子就像單一的超流體，流動時沒有任何阻力。超導元件也可以用于腦磁圖技術，在體外以非侵入性的方式實時記錄大腦的活動電波。

04 反物質檢測癌癥

怎么使用醫學技術發現人體內的癌變部位、檢測癌癥的發展呢？這個問題的突破點是癌細胞的高活性。癌細胞總是在瘋狂分裂，消耗大量能量，即糖類物質。

在做PET檢查前，患者要服用放射性標記的糖，每個糖分子上都附著一個放射性原子（例如氟18），衰變時會發射反電子（也稱為正電子）。

“通過追溯伽馬射線的軌跡，可以找到物質—反物質湮滅現象發生的位置，從而確認癌癥腫瘤的位置。”

患者攝入的糖會積累在體內消耗大量能量的地方（那里一般就是腫瘤區域），并發射反電子，當它們與周圍物質的“正常”電子接觸時，會湮滅并產生能穿過身體、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—反物質湮滅現象發生的位置，從而確認癌癥腫瘤的位置。這種方案十分巧妙，但與MRI類似，如果人類不掌握相關的粒子物理學知識，PET技術就不可能實現了。

圖片來源：PI France

量子物理學是人類日常生活中不可或缺的一部分，在醫學領域中的廣泛應用是大勢所趨。沒有量子物理學，就沒有許多先進治療手段和成像技術。大家千萬不要以為量子物理學、粒子物理學和核物理只不過是實驗室里的研究課題——這些學科的實際應用每天都在拯救成千上萬人的生命。