薛定谔细菌诞生?可能是生命体首次实现量子纠缠

新浪
2018-11-06

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新浪2018-11-06

量子世界与宏观生物体交汇的边界究竟在哪里?最近,科学家可能已经成功制造出“薛定谔的细菌”,实验中某些光子会同时结合和逃离绿硫细菌中的光合色素分子——这正是量子纠缠的标志。实验结果仍然很有争议,如果这种解读成立,这将是科学家第一次让生命体实现量子纠缠。

量子的世界十分神奇。无论在理论还是某种程度的实际中,一个粒子仿佛可以同时出现在两个地方,这种矛盾现象也被称为叠加态;并且,两个粒子之间可能存在量子纠缠,即通过某种未知的机制在较长的距离内任性地共享信息。

也许最能体现量子力学怪异之处的例子就是“薛定谔的猫”,这是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在 1935 年设计的一个思想实验。实验假设,将一只猫放在装有可能致命的放射性物质的盒子里,那么按照量子力学中那些奇特的规律,猫会同时处于生和死的叠加状态——至少在盒子被打开、观察到猫的真实情况之前是这样的。

 “薛定谔的猫”示意图。密封的箱子里有猫、一瓶毒药和一个放射源。如果内部的某个探测器(例如盖格计数器)检测到放射性(即有一个原子发生了衰变),瓶子就会被击碎,释放出毒药,毒死盒子里的猫。量子力学的哥本哈根诠释认为,盒子里的猫同时处于生和死的叠加态,但是如果进行观测,只能看到猫处于其中一种状态(生或者死)。| 图片来源:Wikipedia “薛定谔的猫”示意图。密封的箱子里有猫、一瓶毒药和一个放射源。如果内部的某个探测器(例如盖格计数器)检测到放射性(即有一个原子发生了衰变),瓶子就会被击碎,释放出毒药,毒死盒子里的猫。量子力学的哥本哈根诠释认为,盒子里的猫同时处于生和死的叠加态,但是如果进行观测,只能看到猫处于其中一种状态(生或者死)。| 图片来源:Wikipedia

尽管听起来很遥远,但这些概念已经在量子尺度上的实验中被验证了无数次。但延伸到看似更简单、更直观的宏观世界时,事情却发生了变化。从来没有人目睹过一颗恒星、一颗行星或者一只猫处于叠加态或量子纠缠态。但自从 20 世纪初量子理论被提出以来,科学家们就一直想知道微观世界和宏观世界到底在哪里交汇。量子的领域到底有多大?它能大到以它最奇怪的特性密切、明确地影响生命体吗?纵观过去的二十年,量子生物学这个新兴领域一直在寻找这些问题的答案,提出并进行活体生物实验,以探索量子理论的极限。

这些实验已经产生了一些引人注目但尚无定论的结果。例如,今年早些时候,有研究者证明光合作用(即有机体利用光制造食物)的过程可能涉及了一定程度的量子效应。鸟类的导航系统和人类的嗅觉也提示,量子效应可能在生物体中以不寻常的方式发生。但这些研究只是刚刚触及了量子世界。目前为止,还没有人成功地诱导一个完整的生物表现出量子纠缠或叠加效应,哪怕只有一个细胞的细菌。

因此,当牛津大学(University of Oxford)的一个研究小组发表论文,声称用光子实现了细菌的量子纠缠,这引发了不少争议。这项研究由量子物理学家恰拉·马莱托(Chiara Marletto)领导,论文于 10 月发表在《物理通讯杂志》(Journal of Physics Communications)上。研究主要分析了谢菲尔德大学(University Of Sheffield)的大卫·科尔斯(David Coles)和同事们进行的一项实验。在这个实验中,科尔斯等人将数百个光合绿硫细菌隔在两面镜子之间,并逐渐缩小镜子之间的距离到几百纳米以下——还不到人类头发的直径。通过在镜子间反射白光,研究人员希望观察到细菌体内的光合色素分子与空间产生耦合或相互作用,这在本质上意味着细菌能不断吸收光子、发射光子和再吸收反射光子。这项实验是成功的,其中有多达六个的细菌表现出了这样的耦合状态。

马莱托和同事们认为,细菌所表现的不仅仅是与空腔产生耦合。在实验分析中,他们证明实验中产生的能量特征可以被解释为细菌的光合作用系统与腔体中的光产生了纠缠。本质上,实验中某些光子会同时结合和逃离细菌中的光合色素分子——这正是量子纠缠的标志。马莱托说:“我们的实验模型显示,(科尔斯的实验中)所记录的现象是光与细菌内部的某些自由度存在量子纠缠的一个标志。”

文章的一位合作者特里斯坦·法罗(Tristan Farrow)也来自牛津大学,他表示这是第一次在生物体中观察到这种效应。他说:“如果你认同的话,这项研究确实是我们向‘薛定谔的细菌’这个想法迈出的关键一步。”同时它暗示了自然界中另一种可能自发产生量子生物学的情况:深海环境中给予生命能量的光非常稀缺,这可能使那里的绿硫细菌加快量子力学的演化适应,以促进光合作用。

不过,这些充满争议的实验结论也受到了许多质疑。首要的是,这个实验中证明量子纠缠的证据是间接的,取决于研究者如何解释光从被禁锢在空腔的细菌中通过和流出。马莱托和同事承认,即使不借助量子效应,用经典模型也可以解释实验结果。当然,光子也不是经典的,它们是量子的。不过,如果用牛顿力学解释细菌,用量子力学解释光子,这个更接近现实的“半经典”模型却无法再现科尔斯和同事在实验室观察到的结果,这暗示量子效应在光和细菌中都有发生。IBM 苏黎世研究实验室(IBM Zurich Research Lab)的量子计算研究员詹姆斯·伍顿(James Wootton)表示:“实验结论确实有些不够直接,但我认为这是因为研究人员严格地试图排除其他因素,避免作出任何过度的解释。”伍德没有参与这两篇论文的发表。

另一个争议点是:细菌和光子的能量是集体测量的,而不是独立测量的。荷兰代尔夫特科技大学(Delft University of Technology)的西蒙·格罗布拉赫(Simon Gröblacher)也没有参与这项研究,他认为这点在某种程度上是一种局限。他说:“实验中似乎存在某种量子效应。但是……通常如果我们想要演示量子纠缠,就必须独立测量两个系统”,这是为了确认它们之间的任何量子关联都是真实的。

Winogradsky 管柱中的绿硫细菌。| 图片来源:WikipediaWinogradsky 管柱中的绿硫细菌。| 图片来源:Wikipedia

尽管存在这些不确定性,但在许多专家看来,量子生物学从理论转变成现实只是时间问题,而不是能否实现的问题。数十年的实验已经证明,无论是单独测量还是集体测量,在生命系统外的分子能够显示出量子效应,因此在细菌甚至人体内的相似分子中寻找类似效应似乎是足够合理的。在人类和其他大型多细胞生物中,这种分子水平的量子效应已被平均化,因而无足轻重,但是在小得多的细菌中发现有意义的量子效应不会太令人震惊。格罗布拉赫说:“人们对这一发现的惊讶程度让我有点困惑。但如果你能在一个真实的生物系统中展示这一现象,那显然是令人兴奋的。”

包括由格罗布拉赫和法罗团队在内的几个研究小组都希望进一步推进这些研究思路。格罗布拉赫设计了一项实验,可以令缓步动物(一种小型水生动物,俗称水熊虫)处于叠加态,但由于缓步动物的体积是细菌的数百倍,这个实验要比让细菌和光发生量子纠缠困难得多。而法罗正在寻找改进细菌实验的方法,他和同事希望能在明年实现两个细菌间的量子纠缠,而不仅仅让它们分别和光发生量子纠缠。“长期目标是基础的且根本的。这关系到理解现实的本质,以及量子效应是否在生物功能发挥效用。从根本上讲,一切事物都是量子的,”法罗补充道,“最大的问题是,量子效应是否在生物的生理活动中起作用。”

例如,一种可能是马莱托所指出的,“自然选择已为生命系统提供了利用量子现象的方法”,正如前文提到的的细菌在极度缺乏光线的深海中进行光合作用的例子。但要想要明白事情的始末,还需要从微观开始。目前,研究正稳步地向宏观层次的实验迈进。近期的一项实验已成功实现了数百万个原子的量子纠缠。证明构成生物的分子具备有意义的量子效应,即使只是处于一些琐碎的实验目的,也可能是关键的下一步。如果这种思想是正确的,那么通过探索量子世界与经典世界的边界,科学家们将能更加理解量子的宏观含义。

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