2017-01-06 由 四川廣播電視臺 發表于科學

<新浪科技訊> 北京時間1月6日消息，據國外媒體報導，如果世界上有一樣東西是最能夠體現「科學難以理解」這一觀點的話，那麼量子力學一定是當仁不讓的。科學研究顯示在微觀的量子世界裡，物質的行為方式非常怪異，在我們熟悉的這個宏觀世界看來幾乎是不可能的，比如一個粒子可以同時存在於兩個不同的位置，也可以瞬間消失或者憑空出現。好在令人欣慰的是這種怪異的量子物理效應在我們所生活的宏觀世界中造成的影響是非常有限的。我們所熟悉的世界仍然是那個被「經典」物理學支配著的世界——或者至少這是科學家們一直以來所認為的——直到數年之前。

一.光合作用中的量子效應

粗看起來，光合作用似乎進行起來非常容易。現在，我們的這個信心來源正在逐漸崩塌。量子效應距離我們的生活或許並不像我們之前所認為的那樣遙遠。相反，它們或許就存在於很多我們所熟悉的生活現象與過程之中，從光合作用到發電廠，再到鳥類的遷徙行為，甚至我們的嗅覺可能也與量子物理學有關。 事實上，量子效應是大自然的基本工具之一，它確保生命體能夠更好地運作，也讓我們的身體成為一個運作更為流暢的系統。

比如，從表面上看，光合作用是一個非常簡單的過程。植物、綠色藻類和某些種類的細菌能夠藉助太陽光和二氧化碳產生能量，合成有機物。而讓生物學家們感到困惑的地方就在於：這整個過程看上去有點太過容易了。光合作用中有一個環節尤其讓科學家們感到困惑不解：一個光子——你可以理解為一顆組成光線的粒子，在宇宙中穿行數十億年之後，與你家窗外的某一片葉子裡的一個電子相遇了。對於這個幸運的電子來說，接觸到光子讓它獲得了能量並開始到處運動。它穿過葉片細胞內的一個很小的區域，並將其多出來的能量傳遞給一種特殊的分子，後者扮演了一種類似能量流的角色，將「燃料」輸送到植物機體的各處。

光合作用的背後很有可能隱藏著量子效應的作用

這裡的問題在於：這個小小的能量輸送系統運作地太好了。經典物理學認為受到激發的電子應該在受激發後在負責光合作用的細胞內到處運動一段時間，隨後才有可能從另一端出來從而完成能量的傳遞過程。但在現實中，電子穿過整個細胞所用的時間要遠小於理論值。這還沒完，受到激發的電子在這整個過程中間幾乎不會損失任何能量。這在經典物理學觀點看來是難以置信的一件事，因為在胡亂穿過細胞內部的過程中，由於與細胞內壁等區域的碰撞，電子應該會損失一部分能量，但實際上這樣的情況並未發生。整個過程太過迅速，也太完美太順暢太高效了——總之，這過程太完美了，幾乎不像是真實的。然後在2007年時，研究光合作用過程的科學家們開始在這一問題上取得進展。科學家們在光合作用相關的細胞內部觀察到量子效應起作用的證據。對電子行為的觀察開啟了相關研究進展的大門，科學家們意識到，量子效應可能在生物學過程中扮演著重要的角色。這可能是關於受激發電子為何能夠如此高效地通過光合作用細胞的部分答案。

量子力學的一項詭異特性便是它允許粒子在同一時間存在於多個不同的位置，這種特性被稱為「量子疊加」。利用這一特性，一個粒子就能夠在極短的時間內同時探尋細胞內部多個不同地點，而不必「先後」探尋這些地點，這種方式讓粒子能夠幾乎在瞬間找到最近的通過路徑，從而極大地壓縮了通過時間，並最大限度減少了與細胞內部結構碰撞的機率。量子力學能夠解釋為何光合作用的效率如此之高，這一點讓生物學家們感到意外。德國烏爾姆大學的量子物理學家蘇珊娜·海爾加（Susana Huelga）表示：「我想這時候人們將開始意識到，某種令人興奮的事件正在發生。」

量子力學原理能夠解釋光合作用的高效率嗎？

類似量子疊加這樣的量子理學現象此前都是在高度受控的環境下被觀察到的。一般情況下，開展量子現象觀測時科學家們需要將實驗環境溫度降低到極端低溫，從而極大地抑制細胞的無關活動，以防止後者干擾到對量子行為效應的觀察。但即便是在這樣的極端低溫條件下，物質還必須被置於真空環境之中才能被觀察，而且前提還得是科學家們所使用的觀測設備必須是極其精確的，因為量子效應太過微弱，極難進行觀測。而那些潮濕、溫暖、生機勃勃的細胞環境則很顯然是人們最不會和量子效應相互聯繫起來的地方。然而，海爾加說：「但即便是在這裡，量子效應仍然存在。」 當然，僅僅發現細胞內部存在量子效應這一事實本身並不能說明這一效應在細胞生命現象中能夠發揮何種作用。有一些理論認為量子疊加效應在植物光合作用中起到了關鍵作用，但海爾加指出，這一效應與實際的生物學功能之間如何建立起清晰的聯繫，目前仍然缺乏相關研究。他說：「下一步要做的就是開展一些定量分析研究，以證明這一生物學過程中表現出來的高效率的確是與量子效應的作用相關聯。」