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最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界


新浪科技讯 北京时间1月6日消息 ， 据国外媒体报道 ， 如果世界上有一样东西是最能够体现“科学难以理解”这一观点的话 ， 那么量子力学一定是当仁不让的 。 科学研究显示在微观的量子世界里 ， 物质的行为方式非常怪异 ， 在我们熟悉的这个宏观世界看来几乎是不可能的 ， 比如一个粒子可以同时存在于两个不同的位置 ， 也可以瞬间消失或者凭空出现 。
好在令人欣慰的是这种怪异的量子物理效应在我们所生活的宏观世界中造成的影响是非常有限的 。 我们所熟悉的世界仍然是那个被“经典”物理学支配着的世界——或者至少这是科学家们一直以来所认为的——直到数年之前 。
光合作用中的量子效应 【最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界】
最前线|生物体内的怪异量子力学：被人类忽视的微观世界
本文插图

粗看起来 ， 光合作用似乎进行起来非常容易
现在 ， 我们的这个信心来源正在逐渐崩塌 。 量子效应距离我们的生活或许并不像我们之前所认为的那样遥远 。 相反 ， 它们或许就存在于很多我们所熟悉的生活现象与过程之中 ， 从光合作用到发电厂 ， 再到鸟类的迁徙行为 ， 甚至我们的嗅觉可能也与量子物理学有关 。
事实上 ， 量子效应是大自然的基本工具之一 ， 它确保生命体能够更好地运作 ， 也让我们的身体成为一个运作更为流畅的系统 。
比如 ， 从表面上看 ， 光合作用是一个非常简单的过程 。 植物、绿色藻类和某些种类的细菌能够借助太阳光和二氧化碳产生能量 ， 合成有机物 。 而让生物学家们感到困惑的地方就在于：这整个过程看上去有点太过容易了 。
光合作用中有一个环节尤其让科学家们感到困惑不解：一个光子——你可以理解为一颗组成光线的粒子 ， 在宇宙中穿行数十亿年之后 ， 与你家窗外的某一片叶子里的一个电子相遇了 。 对于这个幸运的电子来说 ， 接触到光子让它获得了能量并开始到处运动 。 它穿过叶片细胞内的一个很小的区域 ， 并将其多出来的能量传递给一种特殊的分子 ， 后者扮演了一种类似能量流的角色 ， 将“燃料”输送到植物机体的各处 。

光合作用的背后很有可能隐藏着量子效应的作用
这里的问题在于：这个小小的能量输送系统运作地太好了 。 经典物理学认为受到激发的电子应该在受激发后在负责光合作用的细胞内到处运动一段时间 ， 随后才有可能从另一端出来从而完成能量的传递过程 。 但在现实中 ， 电子穿过整个细胞所用的时间要远小于理论值 。
这还没完 ， 受到激发的电子在这整个过程中间几乎不会损失任何能量 。 这在经典物理学观点看来是难以现象的是一件事 ， 因为在胡乱穿过细胞内部的过程中 ， 由于与细胞内壁等区域的碰撞 ， 电子应该会损失一部分能量 ， 但实际上这样的情况并未发生 。 整个过程太过迅速 ， 也太完美太顺畅太高效了——总之 ， 这过程太完美了 ， 几乎不像是真实的 。
然后在2007年时 ， 研究光合作用过程的科学家们开始在这一问题上取得进展 。 科学家们在光合作用相关的细胞内部观察到量子效应起作用的证据 。 对电子行为的观察开启了相关研究进展的大门 ， 科学家们意识到 ， 量子效应可能在生物学过程中扮演着重要的角色 。
这可能是关于受激发电子为何能够如此高效地通过光合作用细胞的部分答案 。 量子力学的一项诡异特性便是它允许粒子在同一时间存在于多个不同的位置 ， 这种特性被称为“量子叠加” 。 利用这一特性 ， 一个粒子就能够在极短的时间内同时探寻细胞内部多个不同地点 ， 而不必“先后”探寻这些地点 ， 这种方式让粒子能够几乎在瞬间找到最近的通过路径 ， 从而极大地压缩了通过时间 ， 并最大限度减少了与细胞内部结构碰撞的几率 。
量子力学能够解释为何光合作用的效率如此之高 ， 这一点让生物学家们感到意外 。 德国乌尔姆大学的量子物理学家苏珊娜·海尔加（Susana Huelga）表示：“我想这时候人们将开始意识到 ， 某种令人兴奋的事件正在发生 。 ”


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