「薛定諤細菌」誕生？可能是生命體首次實現量子糾纏

　　來源：Scientific American

　　量子世界與宏觀生物體交匯的邊界究竟在哪裡？最近，科學家可能已經成功製造出「薛定諤的細菌」，實驗中某些光子會同時結合和逃離綠硫細菌中的光合色素分子——這正是量子糾纏的標誌。實驗結果仍然很有爭議，如果這種解讀成立，這將是科學家第一次讓生命體實現量子糾纏。

By Ishdasrox

　　量子的世界十分神奇。無論在理論還是某種程度的實際中，一個粒子彷彿可以同時出現在兩個地方，這種矛盾現象也被稱為疊加態；並且，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任性地共享信息。

　　也許最能體現量子力學怪異之處的例子就是「薛定諤的貓」，這是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在 1935 年設計的一個思想實驗。實驗假設，將一隻貓放在裝有可能致命的放射性物質的盒子里，那麼按照量子力學中那些奇特的規律，貓會同時處於生和死的疊加狀態——至少在盒子被打開、觀察到貓的真實情況之前是這樣的。

「薛定諤的貓」示意圖。密封的箱子里有貓、一瓶毒藥和一個放射源。如果內部的某個探測器（例如蓋格計數器）檢測到放射性（即有一個原子發生了衰變），瓶子就會被擊碎，釋放出毒藥，毒死盒子里的貓。量子力學的哥本哈根詮釋認為，盒子里的貓同時處於生和死的疊加態，但是如果進行觀測，只能看到貓處於其中一種狀態（生或者死）。| 圖片來源：Wikipedia

　　儘管聽起來很遙遠，但這些概念已經在量子尺度上的實驗中被驗證了無數次。但延伸到看似更簡單、更直觀的宏觀世界時，事情卻發生了變化。從來沒有人目睹過一顆恆星、一顆行星或者一隻貓處於疊加態或量子糾纏態。但自從 20 世紀初量子理論被提出以來，科學家們就一直想知道微觀世界和宏觀世界到底在哪裡交匯。量子的領域到底有多大？它能大到以它最奇怪的特性密切、明確地影響生命體嗎？縱觀過去的二十年，量子生物學這個新興領域一直在尋找這些問題的答案，提出並進行活體生物實驗，以探索量子理論的極限。

　　這些實驗已經產生了一些引人注目但尚無定論的結果。例如，今年早些時候，

有研究者證明

光合作用（即有機體利用光製造食物）的過程可能涉及了一定程度的量子效應。

鳥類的導航系統

和

人類的嗅覺

也提示，量子效應可能在生物體中以不尋常的方式發生。但這些研究只是剛剛觸及了量子世界。目前為止，還沒有人成功地誘導一個完整的生物表現出量子糾纏或疊加效應，哪怕只有一個細胞的細菌。

　　因此，當牛津大學（University of Oxford）的一個研究小組發表論文，聲稱用光子實現了細菌的量子糾纏，這引發了不少爭議。這項研究由量子物理學家恰拉·馬萊托（Chiara Marletto）領導，論文於 10 月發表在《物理通訊雜誌》（Journal of Physics Communications）上。研究主要分析了謝菲爾德大學（University Of Sheffield）的大衛·科爾斯（David Coles）和同事們進行的一項實驗。在這個實驗中，科爾斯等人將數百個光合綠硫細菌隔在兩面鏡子之間，並逐漸縮小鏡子之間的距離到幾百納米以下——還不到人類頭髮的直徑。通過在鏡子間反射白光，研究人員希望觀察到細菌體內的光合色素分子與空間產生耦合或相互作用，這在本質上意味著細菌能不斷吸收光子、發射光子和再吸收反射光子。這項實驗是成功的，其中有多達六個的細菌表現出了這樣的耦合狀態。

　　馬萊托和同事們認為，細菌所表現的不僅僅是與空腔產生耦合。在實驗分析中，他們證明實驗中產生的能量特徵可以被解釋為細菌的光合作用系統與腔體中的光產生了糾纏。本質上，實驗中某些光子會同時結合和逃離細菌中的光合色素分子——這正是量子糾纏的標誌。馬萊托說：「我們的實驗模型顯示，（科爾斯的實驗中）所記錄的現象是光與細菌內部的某些自由度存在量子糾纏的一個標誌。」

　　文章的一位合作者特里斯坦·法羅（Tristan Farrow）也來自牛津大學，他表示這是第一次在生物體中觀察到這種效應。他說：「如果你認同的話，這項研究確實是我們向『薛定諤的細菌』這個想法邁出的關鍵一步。」同時它暗示了自然界中另一種可能自發產生量子生物學的情況：深海環境中給予生命能量的光非常稀缺，這可能使那裡的綠硫細菌加快量子力學的演化適應，以促進光合作用。

　　不過，這些充滿爭議的實驗結論也受到了許多質疑。首要的是，這個實驗中證明量子糾纏的證據是間接的，取決於研究者如何解釋光從被禁錮在空腔的細菌中通過和流出。馬萊托和同事承認，即使不藉助量子效應，用經典模型也可以解釋實驗結果。當然，光子也不是經典的，它們是量子的。不過，如果用牛頓力學解釋細菌，用量子力學解釋光子，這個更接近現實的「半經典」模型卻無法再現科爾斯和同事在實驗室觀察到的結果，這暗示量子效應在光和細菌中都有發生。IBM 蘇黎世研究實驗室（IBM Zurich Research Lab）的量子計算研究員詹姆斯·伍頓（James Wootton）表示：「實驗結論確實有些不夠直接，但我認為這是因為研究人員嚴格地試圖排除其他因素，避免作出任何過度的解釋。」伍德沒有參與這兩篇論文的發表。

　　另一個爭議點是：細菌和光子的能量是集體測量的，而不是獨立測量的。荷蘭代爾夫特科技大學（Delft University of Technology）的西蒙·格羅布拉赫（Simon Gr?blacher）也沒有參與這項研究，他認為這點在某種程度上是一種局限。他說：「實驗中似乎存在某種量子效應。但是……通常如果我們想要演示量子糾纏，就必須獨立測量兩個系統」，這是為了確認它們之間的任何量子關聯都是真實的。

Winogradsky 管柱中的綠硫細菌。| 圖片來源：Wikipedia

　　儘管存在這些不確定性，但在許多專家看來，量子生物學從理論轉變成現實只是時間問題，而不是能否實現的問題。數十年的實驗已經證明，無論是單獨測量還是集體測量，在生命系統外的分子能夠顯示出量子效應，因此在細菌甚至人體內的相似分子中尋找類似效應似乎是足夠合理的。在人類和其他大型多細胞生物中，這種分子水平的量子效應已被平均化，因而無足輕重，但是在小得多的細菌中發現有意義的量子效應不會太令人震驚。格羅布拉赫說：「人們對這一發現的驚訝程度讓我有點困惑。但如果你能在一個真實的生物系統中展示這一現象，那顯然是令人興奮的。」

　　包括由格羅布拉赫和法羅團隊在內的幾個研究小組都希望進一步推進這些研究思路。格羅布拉赫

設計了一項實驗

，可以令緩步動物（一種小型水生動物，俗稱水熊蟲）處於疊加態，但由於緩步動物的體積是細菌的數百倍，這個實驗要比讓細菌和光發生量子糾纏困難得多。而法羅正在尋找改進細菌實驗的方法，他和同事希望能在明年實現兩個細菌間的量子糾纏，而不僅僅讓它們分別和光發生量子糾纏。「長期目標是基礎的且根本的。這關係到理解現實的本質，以及量子效應是否在生物功能發揮效用。從根本上講，一切事物都是量子的，」法羅補充道，「最大的問題是，量子效應是否在生物的生理活動中起作用。」

　　例如，一種可能是馬萊托所指出的，「自然選擇已為生命系統提供了利用量子現象的方法」，正如前文提到的的細菌在極度缺乏光線的深海中進行光合作用的例子。但要想要明白事情的始末，還需要從微觀開始。目前，研究正穩步地向宏觀層次的實驗邁進。

近期的一項實驗

已成功實現了數百萬個原子的量子糾纏。證明構成生物的分子具備有意義的量子效應，即使只是處於一些瑣碎的實驗目的，也可能是關鍵的下一步。如果這種思想是正確的，那麼通過探索量子世界與經典世界的邊界，科學家們將能更加理解量子的宏觀含義。

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