量子世界是一個(gè)十分奇怪的世界。在理論上，和在某種程度的實(shí)踐中，它的原則要求一個(gè)粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方——這是一種被稱為疊加的矛盾現(xiàn)象——兩個(gè)粒子可以發(fā)生“糾纏”，通過某種未知的機(jī)制在任意大的距離上共享信息。
對(duì)于量子奇特的屬性來說，最知名的事例應(yīng)當(dāng)就是薛定諤的貓了，薛定諤的貓是1935年歐文·薛定諤設(shè)計(jì)的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。那位瑞典化學(xué)學(xué)家構(gòu)想，一只貓被置于一個(gè)裝有潛在致命放射性物質(zhì)的袋子里，這么依照量子熱學(xué)的奇怪定理量子糾纏 通訊，它是如何以既死又活的疊加形式(起碼在袋子被打開，袋子里的情況被觀察到之前是這樣的)存在的呢?
雖然這個(gè)概念看上去離我們很遙遠(yuǎn)，但它早已在量子尺度上被無數(shù)次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過。但是，擴(kuò)大到表面上看上去更簡(jiǎn)單、更直觀的宏觀世界的話，事情就不一樣了。沒有人見過一顆星體、一顆行星或一只貓?zhí)幱诹孔盈B加狀態(tài)或處于量子糾纏狀態(tài)。并且自從20世紀(jì)初量子理論的最初產(chǎn)生以來，科學(xué)家們就始終想曉得微觀世界和宏觀世界到底在那里分界。量子領(lǐng)域到底能有多大，它能不能大到足以讓其最奇特的方面親昵地、明確地影響到生物?在過去的20年里，量子生物學(xué)這個(gè)新興領(lǐng)域仍然在找尋這樣的問題的答案，她們提出并進(jìn)行了關(guān)于生物體的實(shí)驗(yàn)，以探求量子理論的極限。
這種實(shí)驗(yàn)早已形成了吸引人但不確定的結(jié)果。諸如，去年早些時(shí)侯，研究人員展示了光合作用的過程(生物體借助光來制造食物的過程)可能涉及到一些量子效應(yīng)。動(dòng)物的導(dǎo)航方法或我們的味覺的工作方法也表明量子效應(yīng)可能以不同尋常的形式在生物體內(nèi)發(fā)生。但這種充其量只是半只手指走入了量子世界。到目前為止，還沒有人成功地誘導(dǎo)整個(gè)生命體(甚至是單細(xì)胞真菌)來展示量子效應(yīng)，例如量子糾纏或量子疊加狀態(tài)。
因而，牛津?qū)W院的一組科學(xué)家發(fā)表的一篇新論文現(xiàn)今造成了一些人的關(guān)注，由于它聲稱真菌與光子(光的粒子)發(fā)生了成功的量子糾纏。這項(xiàng)研究由量子化學(xué)學(xué)家基婭拉?馬萊托()主持，并于10月發(fā)表在《物理通訊刊物》(of)上。該研究剖析了利茲學(xué)院(of)的戴維?科爾斯(DavidColes)及其朋友在2016年進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在那次實(shí)驗(yàn)中，Coles和他的朋友將幾百個(gè)光合紅色硫真菌隔離在兩個(gè)穿衣鏡之間，之后逐步將穿衣鏡之間的縫隙縮小到幾百納米(還不到人類毛發(fā)的長度)。通過在穿衣鏡之間反射白光，研究人員希望使病菌內(nèi)的光合分子與腔體結(jié)合或互相作用，本質(zhì)上這意味著真菌會(huì)不斷地吸收、發(fā)射和重新吸收反射的光子。實(shí)驗(yàn)成功了;以這些方法結(jié)合的真菌多達(dá)六個(gè)。
但是，和她的朋友覺得這些真菌不僅僅與腔體結(jié)合了在一起。在她們的剖析中，她們展示了在實(shí)驗(yàn)中形成的能量特點(diǎn)可以與真菌的光合系統(tǒng)與腔內(nèi)的光糾纏一致。從本質(zhì)上看，個(gè)別光子雖然同時(shí)在真菌內(nèi)撞擊和缺位光合分子——這是糾纏的標(biāo)志。她說：“我們的模型表明，這些被記錄出來的現(xiàn)象是光和真菌內(nèi)部一定程度的自由之間糾纏在一起的訊號(hào)。”
來自牛津?qū)W院的特里斯坦·法羅()是這項(xiàng)研究的專著者，他說，這是首次在生物體禪修察到這些效應(yīng)。他說：“如果你樂意這樣想的話，這其實(shí)對(duì)于證明我們正在朝著‘薛定諤的真菌’方向前進(jìn)來說特別重要。”它還暗示了另一個(gè)在自然中出現(xiàn)的量子生物學(xué)潛在事例：紅色硫真菌生活在深海中，那兒的生命之光的缺少甚至可能剌激量子熱學(xué)的生物進(jìn)化適應(yīng)以推動(dòng)光合作用。
但是，對(duì)于這些有爭(zhēng)議的說法量子糾纏 通訊，有許多警告。首當(dāng)其沖，這個(gè)實(shí)驗(yàn)中量子糾纏的證據(jù)是間接的，取決于人們?cè)趺唇忉尮饩€從腔體包圍的真菌中穿過和穿出。和她的朋友也承認(rèn)，一個(gè)沒有量子效應(yīng)的精典模型也可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并且，光子并不屬于精典范疇——它們屬于量子范疇。但是，一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的“半精典”模型(用牛頓精典熱學(xué)解釋真菌，藥量子力學(xué)解釋光子)卻無法再現(xiàn)科爾斯和他的朋友在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的實(shí)際結(jié)果。這表明量子效應(yīng)在光和真菌中都起作用。IBM蒙特利爾研究實(shí)驗(yàn)室(IBM)的量子估算研究員詹姆斯?伍頓(James)并沒有參與研究，但他表示：“這有點(diǎn)間接，但我覺得這是由于她們只是在嚴(yán)格排除可能性，并避免過多地宣稱發(fā)覺。”
另一個(gè)警告：真菌和光子的能量是一起被檢測(cè)的，而不是被獨(dú)立檢測(cè)的。英國代爾夫特理工學(xué)院(Delftof)的西蒙?格羅布拉切爾(Simon)沒有參與這項(xiàng)研究，但他表示“似乎有某種量子效應(yīng)在起作用，”他說，“但是……通常假如我們演示糾纏的時(shí)侯，你必須獨(dú)立地檢測(cè)這兩個(gè)數(shù)據(jù)”來否認(rèn)它們之間的量子關(guān)聯(lián)是真實(shí)的。
雖然存在這種不確定性，但對(duì)許多專家來說，量子生物學(xué)從理論到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變只是時(shí)間的問題，而不是是否的問題。在過去幾六年的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，生物系統(tǒng)外的分子無論是被單獨(dú)檢測(cè)還是共同檢測(cè)，它們都表現(xiàn)出過量子效應(yīng)，因而，在真菌內(nèi)甚至在我們的身體內(nèi)找尋類似分子的量子效應(yīng)在理論上來說合乎情理。但是，在人類和其他小型多細(xì)胞生物中，這些分子量子效應(yīng)應(yīng)當(dāng)被平均到無足輕重的程度——但它們?cè)谛〉枚嗟恼婢酗@示下來的有意義的表現(xiàn)也不會(huì)太令人驚訝。“就對(duì)于(這一發(fā)覺)有多么令人費(fèi)解來說，我有點(diǎn)困擾，”格羅布拉切說。“但若果你能在真實(shí)的生物中展示這一點(diǎn)的話，那雖說是令人激動(dòng)的。”
一些研究小組，包括由和領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，希望能進(jìn)一步研究這種看法。設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，可以把一種稱作昂然植物的大型水生植物置在一個(gè)疊加狀態(tài)中，因?yàn)榘喝恢参镉邪俦洞蟮娜莘e，這個(gè)提議實(shí)驗(yàn)比使病菌和光形成量子糾纏要困難得多。正在找尋改進(jìn)真菌實(shí)驗(yàn)的方式;今年，他和他的朋友們希望可以令兩個(gè)真菌形成量子糾纏，而不是只與光形成量子糾纏。“長期的目標(biāo)才是基礎(chǔ)和基本的，”說。“這關(guān)乎到理解現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)，以及量子效應(yīng)在生物功能上是否存在效用，從根本上說，一切都是量子的，”他補(bǔ)充道，抒發(fā)出了對(duì)量子效應(yīng)在生物體中作用的疑問。
很有可能，“自然選擇早已為生命系統(tǒng)提供了自然借助量子現(xiàn)象的方式”，強(qiáng)調(diào)，比如上面提及的真菌在缺少光的深海中進(jìn)行光合作用的反例。但要弄清事情的真相，則須要從小處著手。這項(xiàng)研究仍然在逐步地向宏觀實(shí)驗(yàn)靠攏，近來的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成功地使數(shù)百萬個(gè)原子糾纏在一起。就能證明構(gòu)成生物的分子具有有意義的量子效應(yīng)——即使只是為了微不足道的目的——都將會(huì)是關(guān)鍵的下一步。通過探求這個(gè)量子熱學(xué)和精典熱學(xué)的邊界，科學(xué)家們可以更接近于理解宏觀量子意味著哪些，假如確實(shí)存在宏觀量子的話。
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