利用特定分子感知磁场的能力可能有量子纠缠的功劳,我们将在本书中探索量子测量

作者:esball.com    发布时间:2019-12-07 12:20    浏览:

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动物认路也是量子力学干的

作者:Johnjoe McFadden & Jim Al-Khalili
译者:侯新智 祝锦杰
出版社:浙江人民出版社
版本:2016年8月出版
来源:下载的 mobi 版本

  5月19日,物理学权威学术期刊《物理评论快报》正式刊发物理学院蔡建明教授团队关于基于金刚石的量子传感与量子精密测量的最新成果《基于金刚石中量子自旋的单分子自由基对反应检测》。蔡建明为通讯作者,团队刘海滨博士后为第一作者,物理学院兼职教授德国乌尔姆大学Martin B. Plenio教授参与了该工作。

季老师的量子生物读书会,科普书《Life On The Edge》翻译。

本人英语很差,翻译主要是为了学习科普读物本身内容方便,顺便用作英文学习练习之用。

选择部分内容发到简书上分享。请勿用于商业用途。

丽莎· 泽加

书的原名是《Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology》,按照字面的意思是《生命在边缘:量子生物学的时代的到来》,内容围绕生命科学中的量子物理维度展开科普,Johnjoe McFadden 是一位生物学教授和作家,Jim Al-Khalili 是一位核物理学家和量子物理教授,Jim Al-Khalili 为 BBC 制作了一系列的科普作品,其中就包含和本书相关的内容,算是量子科学相关科普作品中的上乘之作:
http://www.bilibili.com/video/av2418161/ (围绕量子物理历史)
http://www.bilibili.com/video/av2475093/ (围绕量子生物学)

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在1970年早期,认为这一怪异的量子纠缠属性参与了普遍的化学反应的观点被认为是古怪的。就在同时,很多和爱因斯坦一样怀疑纠缠的粒子效应是否真的存在的科学家,都没人侦测到过纠缠的粒子。但是之后过了十几年,许多机智的实验室进行了一系列实验,确证了这些鬼魅般的连接是确实存在的,而其中最有名的实验早在1982年就由巴黎南大学的Alain Aspect所领导的法国物理学家团队完成。

物理学家研究了量子纠缠在动物磁罗盘中的作用。

阅读到这本书,有一个原因是刚好和阅读的上一本《生命的未来》结集在一起下载的电子版;另一个原因是出版时间比较新,豆瓣评分也不错;还有一个原因是想了解一下,结合了量子物理和生物学两个学科的量子生物学,究竟是个什么鬼呢?通读下来,确实是非常值得的。

  近年来,人们对微观尺度的精密测量日益重视,由此带动了以量子力学基本原理为基础的量子精密测量技术的快速发展,这其中极具代表性的就是基于金刚石中量子自旋的传感技术。借助于金刚石中量子自旋的优良性质,这项技术已经成功用于微观尺度上磁场、电场、单自旋、温度等的精密探测。同时,因其化学惰性及生物相容性,金刚石中量子自旋传感在生物、医学方面也具有广阔的应用前景。

Aspect的团队在纠缠偏振态下生成了一对光子(光的能量子),光偏振现象很像是我们日常生活中,戴上墨镜产生的偏振现象。每个光子都有一种方向性,这种方向性就是光子的偏振角,偏振角有点像是我们之前介绍的自旋性质。阳光的光子会以所有可能的偏振角行进,但在经过偏光镜的过滤后,只有处于特定偏振角方向的光子能够穿过偏光镜继续行进。Aspect生成的光子对不仅仅是偏振方向不同——我们就暂且理解为方向是一个向上一个向下吧——而且还处于相互纠缠之中;此外,就像是先前我们说的舞伴效应那样:它们各自朝着自己的方向前行,直到被测量为止。

物理学家已经发现,利用特定分子感知磁场的能力可能有量子纠缠的功劳,但要在具有化学罗盘的动物体内的磁场感受器中找到具体的分子还需要进一步的工作。

先看一个图,了解一下什么是量子物理,它的位置在哪里:

  自由基对反应是自旋化学研究的一个重要方面,在生物学过程中也扮演着重要的角色。当前通用检测方式只能适用于宏观样品的研究,并且仅能得到宏观样品的平均性质,无法观测到微观层面单分子反应的独特信息。蔡建明教授研究团队提出利用金刚石中量子自旋作为量子探针,在常温常压下可以实现单分子的带电自由基对电荷重结合速率的探测。研究结果显示,该探针的探测灵敏度甚至可以分辨出地磁场方向对自由基对反应速率的影响。

测量是量子力学中最神秘——而且还是最具争议的——部分之一,因为测量涉及到的问题正是我们之前已经跟你提到过的:为什么我们看到的一切都无法进行这些奇异的量子行为,而量子粒子却能呢?答案便是,在微观的量子世界之下,粒子可以进行这些奇怪的行为,比如同时做两件事,可以穿墙而过,进行鬼魅般的超距连接之类——仅当它们没有被观测的时候。一旦被观察,或以某种方式测量,它们就会失去它们的奇异特征,其行为也会变回我们身边的经典物体那样。但是当然,这就是另一个问题了:为什么测量如此特殊,能使量子粒子的行为从量子行为转变而为经典行为呢?这一问题的答案在我们的故事中至关重要,因为观测位于量子世界和经典世界之间的分界线,也就是量子的边缘上。想必你也猜到了本书标题是怎么来的了,这一标题正是宣称着这一点——生命也位于这边缘上。

许多动物都具有一种磁感应能力,它们可以靠这个来认路。这种称为磁感知的磁场探测能力在许多动物中都有发现,比如鸟、海龟、鲨鱼、龙虾、奶牛、真菌、细菌……然而,科学家们并不完全清楚这种能力的机理。在一项新的研究中,物理学家研究了量子纠缠在动物磁罗盘中的作用,并指出量子技术可以用来提高或降低动物的化学罗盘精确度,从而控制其它生物学功能。

物理学的三个层次

esball官方网,  该成果有望为在单分子水平上检测自由基及相关的动力学过程提供重要的方法。例如细胞中涉及自由基的重要生理过程,包括光合作用、生物磁感知和机体疾病等。此外,对于化学中涉及电子转移的化学合成、聚合反应等研究也将有重要的推动作用。目前,蔡建明教授领导的量子物理与量子技术实验室正在积极攻关,推进这一技术在实验上的实现及应用。

我们将在本书中探索量子测量,同时我们也希望你可以渐渐地了解这些神秘过程的微妙之处。现在,我们仅仅考虑这一现象最简单的解释,说它是一种量子效应,就像是偏振态,一旦被以科学器材测量,就会立刻忘记自己所有量子态下的技能,转而为稀松平常的经典属性,比如光子的偏振角不再能够同时朝向多个方向,而只朝着一个方向。所以,当Aspect通过观察光子对是否能穿越偏振透镜来测量了纠缠态光子对的偏振态时,光子对瞬间失去了与搭档之间相互的鬼魅般的连接,一个光子只剩下了一个偏振方向,无论两个光子之间相距多远,另一光子也会变得一样。至少,这就是彻底让爱因斯坦头疼不已的,量子力学方程的预言。

“我认为我们的工作清楚地表明,量子纠缠作为一种真正的量子效应,并不只在孤立和受到高度控制的实验条件下才起作用。”汉斯·布里格尔对PhysOrg.com的记者这样说道。他是因斯布鲁克大学的一位理论物理学教授。“它也可能在生物学相关的系统中存在并起作用,尤其是在化学罗盘中,我们描述了一种从原则上用实验方法研究这个问题的途径。”

乍一看量子物理的世界离生命科学的化学分子世界非常遥远,而人的生命形态更是因为退相干的缘故,怎么会与量子世界产生或多或少的联系呢?(下面的内容未必是正确的,都源自书中的实验论证或者推论,论证过程和推论过程各种论文各种实验,请直接翻书)

Aspect和他的团队完成了他们这一著名的双光子实验,在实验室中,把光子对分开了几米远,这一距离足够远,即使是在两者之间光速旅行——相对论告诉我们,没什么能比光速更快——也不会对他们的偏振角有任何影响。然而,测量成对的粒子是相互关联的:当一个光子的偏振角朝上时,另一个就会被发现是朝下的。自1982年以来,这一实验被重复多次,光子对的间距甚至提升至了几百英里,而他们之间依然存在着爱因斯坦所不能接受的,鬼魅般的纠缠连接效应。

在他们最近发表在《物理学评论》的一项研究中,布里格尔及其合作者蔡建明(Jianming Cai)、吉安·贾科莫·古尔利奇阐述了磁感知的两个主要假说。其中之一称作“自由基对机制”,此机制认为动物眼睛内的磁感受器被光子激活时产生一对自由基,每个自由基都有一个不成对电子,这两个电子的自旋是相关的。自由基之间的相互作用和环绕着它们的弱磁场可以引起不同形式的自旋关联,使得动物能够“看到”磁场。

  • 嗅觉:嗅觉是极其灵敏的,过去认为是源自分子结构触发介质,然后通过神经将介质中的电子传递到大脑, 但是最新的研究认为,嗅觉是源自于量子隧穿和不同分子的震动频率这一量子行为
  • 动物的磁感性:许多动物具有磁感应能力,过去是认为源自一种称为隐花色素的磁敏蛋白,但是相关的机理一直缺乏研究,最新的研究认为量子隧穿和量子纠缠都在其间起到了一定的作用
  • 光合作用:在叶绿素获取到了光子以后,为何能量传导效率如此之高,是因为电子能够迅速的找到分子中准确的能量出口(电子之小,叶绿素之大),而不会有能量的损失,这只能通过叠加态的量子理论才能解释
  • 基因突变:基因突变的原因是因为在DNA复制的时候,出现量子隧穿现象,从而产生了错误的复制而产生的
  • 催化剂:主要指有机生物化学反应中的催化行为,比如DNA复制过程中的断键成键过程效率之高,只能通过量子隧穿才能解释

Aspect的实验是在Schulten提出纠缠效应参与了鸟类指南针工作之后的几年后进行的,而且这一现象在当时仍有争议。同样的,Schulten也不知道这样的一个尚不清晰的化学反应是如何允许知更鸟看见地磁场的。之所以我们这里要说「看见」,是因为Wiltschkos夫妇发现了另一个特质:尽管欧洲知更鸟在夜间迁徙,但启动它的磁指南针还是需要一点光的(大概是在可见光谱的蓝光末尾附近的光),这就提示了我们,鸟类的眼睛在这一过程中起到了至关重要的作用。但是,除了视觉,眼睛是如何同时帮助提供磁感应能力的呢?无论有没有一对基础的配套机制,这都是一个完完全全的谜团。

因斯布鲁克的研究人员们想要确定的一件事是自由基对中的电子是否需要量子纠缠才能起作用,还是说经典关联就已经能够令罗盘具有足够的敏感度。经过计算,他们发现结果很大程度上是取决于自由基对的寿命:对于存在时间很短的分子,比如最近用在自旋化学实验中的一种分子,量子纠缠的特征很显著;另一方面,对于存在时间较长的分子,比如欧洲知更鸟中被认为引起磁感知的分子,量子纠缠所扮演的的角色似乎并不重要。

量子力学是这个世界的基础,那里面充斥着各种奇奇怪怪的专业名词:量子隧穿、量子纠缠、叠加态、退相干等等,一个无比令人陌生的世界,这些围绕嗅觉、动物磁感性、光合作用、基因突变、生物催化等领域的量子物理解释,都在随着量子物理、生物学本身的发展,更加高速的变化和发展着,看着蛮有意思的,也多了一层对生命、意识、直觉方面的深层理解

在20多年以前,鸟类指南针拥有量子机制的理论在科学界失去了活力。Schulten回到了美国,在伊利诺伊大学香槟分校组建了他非常成功的理论化学物理小组。但是他从未忘记他的古怪理论,并且还继续重写了一片论文,提出也许可以生成自由基对的候选生物分子(由活细胞组成的分子)对快速三重反应是必要的。但是并没有真正符合要求的生物分子存在:既没有能生成自由基对的,也没有在鸟类的视线中可以呈现的。但在1998年,Schulten了解到有一种被称为隐花色素的谜之光受体,在动物的眼睛中被发现。这立刻给他的科学直觉敲响了警铃,因为隐花色素曾被认为是一种可能生成自由基对的蛋白质。

由于科学家们并不能完全确定在不同动物的化学罗盘中哪些分子在自由基对机制中起作用,动物是否使用量子纠缠来探测磁场就成了一个悬而未决的问题。然而,物理学家们提出,可以进行特定的实验来缩小动物磁感知候选分子的范围。比如,在围绕动物的磁场上加上与其平行、垂直或成一定角度的pi脉冲,研究人员就能观测到量子的控制方式如何影响动物的方向感。物理学家们强调,必须对量子控制的脉冲对生物组织的影响进行更多的研究之后,才能进行比较安全的实验。

知识点:

在当时,一位名叫Thorsten Ritz的有天赋的PhD加入了Schulten的团队。作为一名法兰克福大学的毕业生,Ritz早就听闻过Schulten关于鸟类指南针的讲话,并为之吸引。当机会来临时,他立刻以做PhD的机会加入了Schulten的实验室,最初在做光合作用领域的工作。当隐花色素的故事磁感应,在2000年他和Schulten共同发表了题为《一个基于光感受器的鸟类磁感应模型》的论文,描述了隐花色素是如何为鸟类的眼睛提供量子指南针的(我们将在第六章更丰富地重述这一主题)。四年后,Ritz和Wiltschkos夫妇联手,一同进行了关于欧洲知更鸟的研究,并由此提供了首个用以支持他们的鸟类使用量子纠缠来进行全球导航的实验证据。由此看来,Schulten一直都是对的。2004年,他们的论文发表在英国著名的《自然》杂志上,引起了热议,而鸟类的量子指南针瞬间成为了量子生物学这一新兴学科的模范案例。

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