量子世界與宏觀生物體交匯的邊界到底在哪兒？近來，科學(xué)家可能早已成功制造出“薛定諤的真菌”，實驗中個別光子會同時結(jié)合和逃出綠硫真菌中的光合色素分子——這正是量子糾纏的標(biāo)志。實驗結(jié)果依然很有爭議，假如這些剖析創(chuàng)立，這將是科學(xué)家第一次讓生命體實現(xiàn)量子糾纏。
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量子的世界非常神奇。無論在理論還是某種程度的實際中，一個粒子似乎可以同時出現(xiàn)在兩個地方，這些矛盾現(xiàn)象也被稱為疊加態(tài)；而且，兩個粒子之間可能存在量子糾纏，即通過某種未知的機制在較長的距離內(nèi)任性地共享信息。
其實最能彰顯量子力學(xué)奇特之處的反例就是“薛定諤的貓”，這是英國化學(xué)學(xué)家埃爾溫·薛定諤（ErwinSchr？）在1935年設(shè)計的一個思想實驗。實驗假定，將一只貓置于裝有可能致命的放射性物質(zhì)的袋子里，這么根據(jù)量子熱學(xué)中這些獨特的規(guī)律，貓會同時處于生和死的疊加狀態(tài)——至少在袋子被打開、觀察到貓的真實情況之前是這樣的。
“薛定諤的貓”示意圖。密封的袋子里有貓、一瓶毒藥和一個放射源。假如內(nèi)部的某個偵測器（比如蓋格計數(shù)器）測量到放射性（即有一個原子發(fā)生了衰變），杯子都會被打碎，釋放出毒藥，毒死袋子里的貓。量子熱學(xué)的赫爾辛基演繹覺得，袋子里的貓同時處于生和死的疊加態(tài)，并且假如進行觀測，只能看見貓?zhí)幱谄渲幸环N狀態(tài)（生或則死）。|圖片來源：
雖然聽上去很遙遠，但這種概念早已在量子尺度上的實驗中被驗證了無數(shù)次。但延展到看似更簡單、更直觀的宏觀世界時，事情卻發(fā)生了變化。從來沒有人目睹過一顆星體、一顆行星或則一只貓?zhí)幱诏B加態(tài)或量子糾纏態(tài)。但自從20世紀(jì)初量子理論被提出以來，科學(xué)家們就始終想曉得微觀世界和宏觀世界究竟在那里交匯。量子的領(lǐng)域究竟有多大？它能大到以它最奇怪的特點密切、明確地影響生命體嗎？綜觀過去的二六年，【量子生物()、股吧】學(xué)這個新興領(lǐng)域仍然在找尋這種問題的答案，提出并進行活體生物實驗，以探求量子理論的極限。
這種實驗早已形成了一些引人注目但尚無定論的結(jié)果。諸如，去年早些時侯人類首次實現(xiàn)量子通訊，有研究者證明光合作用（即有機體借助光制造食物）的過程可能涉及了一定程度的量子效應(yīng)。動物的導(dǎo)航系統(tǒng)和人類的味覺也提示，量子效應(yīng)可能在生物體中以不尋常的形式發(fā)生。但那些研究只是剛才觸碰了量子世界。目前為止，還沒有人成功地誘導(dǎo)一個完整的生物表現(xiàn)出量子糾纏或疊加效應(yīng)，哪怕只有一個細胞的真菌。
因而，當(dāng)牛津?qū)W院（of）的一個研究小組發(fā)表論文，宣稱用光子實現(xiàn)了真菌的量子糾纏，這引起了不少爭議。這項研究由量子化學(xué)學(xué)家恰拉·馬萊托（）領(lǐng)導(dǎo)，論文于10月發(fā)表在《物理通信刊物》（of）上。研究主要剖析了利茲學(xué)院（Of）的大衛(wèi)·科爾斯（DavidColes）和朋友們進行的一項實驗。在這個實驗中，科爾斯等人將數(shù)百個光合綠硫真菌隔在兩面穿衣鏡之間，并逐步縮小穿衣鏡之間的距離到幾百納米以下——還不到人類毛發(fā)的半徑。通過在穿衣鏡間反射白光，研究人員希望觀察到真菌體內(nèi)的光合色素分子與空間形成耦合或互相作用，這在本質(zhì)上意味著真菌能不斷吸收光子、發(fā)射光子和再吸收反射光子。這項實驗是成功的，其中有多達六個的真菌表現(xiàn)出了這樣的耦合狀態(tài)。
馬萊托和朋友們覺得，真菌所表現(xiàn)的不僅僅是與空腔形成耦合。在實驗剖析中，她們證明實驗中形成的能量特點可以被解釋為真菌的光合作用系統(tǒng)與腔體中的光形成了糾纏。本質(zhì)上，實驗中個別光子會同時結(jié)合和逃出真菌中的光合色素分子——這正是量子糾纏的標(biāo)志。馬萊托說：“我們的實驗?zāi)Ｐ惋@示，（科爾斯的實驗中）所記錄的現(xiàn)象是光與真菌內(nèi)部的個別自由度存在量子糾纏的一個標(biāo)志。”
文章的一位合作者特里斯坦·法羅（）也來自牛津?qū)W院，他表示這是第一次在生物體中觀察到這些效應(yīng)。他說：“如果你認同的話，這項研究確實是我們向‘薛定諤的真菌’這個看法邁出的關(guān)鍵一步。”同時它暗示了自然界中另一種可能自發(fā)形成量子生物學(xué)的情況：深海環(huán)境中給與生命能量的光十分稀缺，這可能使那兒的綠硫真菌推動量子熱學(xué)的演進適應(yīng)，以推動光合作用。
不過，這種飽含爭議的實驗推論也遭到了許多指責(zé)。首要的是，這個實驗中證明量子糾纏的證據(jù)是間接的，取決于研究者怎么解釋光從被囚禁在空腔的真菌中通過和流出。馬萊托和朋友承認，雖然不依靠量子效應(yīng)，用精典模型也可以解釋實驗結(jié)果。其實，光子也不是精典的，它們是量子的。不過，假如用牛頓熱學(xué)解釋真菌，藥量子力學(xué)解釋光子，這個更接近現(xiàn)實的“半精典”模型卻未能重現(xiàn)科爾斯和朋友在實驗室觀察到的結(jié)果，這暗示量子效應(yīng)在光和真菌中都有發(fā)生。IBM蒙特利爾研究實驗室（IBMLab）的量子估算研究員詹姆斯·伍頓（James）表示：“實驗推論確實有些不夠直接，但我覺得這是由于研究人員嚴(yán)格地企圖排除其他誘因，防止做出任何過度的解釋。”伍德沒有參與這兩篇論文的發(fā)表。
另一個爭議點是：真菌和光子的能量是集體檢測的，而不是獨立檢測的。英國代爾夫特科技學(xué)院（Delftof）的西蒙·格羅布拉赫（SimonGr？）也沒有參與這項研究，他覺得這點在某種程度上是一種局限。他說：“實驗中雖然存在某種量子效應(yīng)。并且……通常假如我們想要演示量子糾纏，就必須獨立檢測兩個系統(tǒng)”，這是為了確認它們之間的任何量子關(guān)聯(lián)都是真實的。
管柱中的綠硫真菌。|圖片來源：
雖然存在這種不確定性，但在許多專家看來，量子生物學(xué)從理論轉(zhuǎn)弄成現(xiàn)實只是時間問題，而不是能夠?qū)崿F(xiàn)的問題。數(shù)六年的實驗早已證明，無論是單獨檢測還是集體檢測，在生命系統(tǒng)外的分子能否顯示出量子效應(yīng)，因而在真菌甚至人體內(nèi)的相像分子中找尋類似效應(yīng)其實是足夠合理的。在人類和其他小型多細胞生物中，這些分子水平的量子效應(yīng)已被平均化，因此無足輕重，并且在小得多的真菌中發(fā)覺有意義的量子效應(yīng)不會太令人驚訝。格羅布拉赫說：“人們對這一發(fā)覺的震驚程度讓我有點困擾。但若果你能在一個真實的生物系統(tǒng)中展示這一現(xiàn)象，那恐怕是令人激動的。”
包括由格羅布拉赫和法羅團隊在內(nèi)的幾個研究小組都希望進一步推動這種研究思路。格羅布拉赫設(shè)計了一項實驗，可以令昂然植物（一種大型水生植物，也稱水熊蟲）處于疊加態(tài)，但因為昂然植物的容積是真菌的數(shù)百倍，這個實驗要比讓真菌和光發(fā)生量子糾纏困難得多。而法羅正在找尋改進真菌實驗的方式，他和朋友希望能在今年實現(xiàn)兩個真菌間的量子糾纏，而不僅僅讓它們分別和光發(fā)生量子糾纏。“長期目標(biāo)是基礎(chǔ)的且根本的。這關(guān)系到理解現(xiàn)實的本質(zhì)，以及量子效應(yīng)是否在生物功能發(fā)揮效用。從根本上講人類首次實現(xiàn)量子通訊，一切事物都是量子的，”法羅補充道，“最大的問題是，量子效應(yīng)是否在生物的生理活動中起作用。”
比如，一種可能是馬萊托所強調(diào)的，“自然選擇已為生命系統(tǒng)提供了借助量子現(xiàn)象的方式”，正如前文提及的的真菌在極其缺少光線的深海中進行光合作用的反例。但要想要明白事情的始末，還須要從微觀開始。目前，研究正逐步地向宏觀層次的實驗邁向。近日的一項實驗已成功實現(xiàn)了數(shù)百萬個原子的量子糾纏。證明構(gòu)成生物的分子具備有意義的量子效應(yīng)，雖然只是處于一些繁雜的實驗?zāi)康模部赡苁顷P(guān)鍵的下一步。假如這些思想是正確的，這么通過探求量子世界與精典世界的邊界，科學(xué)家們將能愈發(fā)理解量子的宏觀含意。