圖片來源：Pixabay

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量子世界有著種種奇異的特性。理論上來說，量子力學原理要求一個粒子可以同時在兩個地方出現。這種看似矛盾的現象叫做疊加。兩個粒子可以“糾纏”在一起，通過某種未知的機制跨過任意遠的距離共享信息。

藝術家筆下的雙原子量子糾纏態。圖片來源：Mark Garlick 

或許量子力學中最著名的實驗就是埃德溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在1935年提出的思想實驗——薛定諤的貓。這一實驗展現了量子力學的奇異性質。這位奧地利物理學家想象了一只裝在盒子中的貓，盒子中有一些可能致死的放射性物質。根據量子力學原理，貓會處于活與死的疊加態，至少在我們將盒子打開進行觀測之前是這樣的。

將一只貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子里。當盒子內的監控器偵測到衰變粒子時，就會打破燒瓶，殺死這只貓。根據量子力學的哥本哈根詮釋，在實驗進行一段時間后，貓會處于又活又死的疊加態。可是，假若實驗者觀察盒子內部，他會觀察到一只活貓或一只死貓，而不是同時處于活狀態與死狀態的貓。這事實引起一個謎題：到底量子疊加是在什么時候終止，并且坍縮成兩種可能狀態中的一種狀態？圖片、文字來源：維基百科

盡管這看起來十分瘋狂，但是這一概念已經在量子尺度下被實驗驗證無數次了。然而，在我們所熟知的宏觀世界中，一切都變得更簡單，更符合我們的直覺。沒有人曾經看到一顆恒星、一顆行星或者一只貓處于疊加態或者存在量子糾纏。但自從20世紀早期量子力學形成開始，科學家就一直在思考宏觀世界和微觀世界會在何處交匯。也就是量子系統究竟能夠有多大，有沒有可能大到讓種種奇異的性質直接影響生物？在過去的二十年中，量子生物學開始形成，并試圖回答這些問題，這一學科提出和實施一些在生物體身上做的實驗，以此來探測量子理論的極限。

根據多世界理論，每一個事件都是分支點。不論盒子是封閉的還是敞開的，貓是活的，也是死的，但是，活貓與死貓是處于宇宙的不同分支，這些分支都同樣的真實，但是彼此之間不能相互作用。圖片、文字來源：維基百科

這些實驗的結果看起來十分誘人，但是卻沒有給出確定的答案。比如在今年早些時候，研究人員發現生物通過光合成養料的光合作用與某些量子效應有關。鳥類導航和人類產生嗅覺的過程也顯示量子效應以一種不尋常的方式影響著生物體。但是這些只是量子世界的冰山一角。目前還沒有人能將生物置于疊加態或糾纏態，就連單細胞的細菌也不行。

薛定諤的細菌：微生物能否處于量子疊加狀態？圖片來源：Thomas Deerinck, NCMIR/Science Photo Library

最近英國牛津大學的一篇論文宣稱細菌和光子之間的糾纏得到了實現，這引起了大家的關注。這項研究由量子物理學家Chiara Marletto領導。他分析了2016年英國謝菲爾德大學David Coles和同事完成的實驗，發表在2018年10月《物理通訊》（Journal of Physics Communications）上。在實驗中，Coles和同事把幾百個光合綠色硫細菌放在兩面鏡子中間，不斷地縮短兩面鏡子之間的距離，直到兩面鏡子只有幾百納米遠，這個距離比頭發絲直徑還小。通過在鏡中不斷地反射白光，研究人員希望使細菌中的光合分子和空腔產生相互作用或形成耦合，也就是說，細菌會持續將這些不斷反彈的光子吸收，釋放，再吸收。這項實驗成功了：有六個細菌以這種方式成功地和空腔形成了耦合。

但是Marletto和她的同事稱細菌不僅僅是和光子形成了耦合。他們分析認為實驗中產生的能量信號可能表明細菌的光合系統和空腔中的光子形成了糾纏態。簡單來說，有的光子似乎同時與細菌中的光合分子撞上和擦肩而過，而這正是糾纏的標志。她說：“我們的模型表明記錄到的這種現象是光和細菌中的某些自由度產生糾纏的信號。”

厭氧嗜熱綠色硫細菌（Chlorobaculum tepidum）與光子發生強耦合的實驗示意圖。實驗中，檢測細胞膜完整性的染料臺盼藍被細菌排斥，細菌未被染色，證明其仍然存活。圖片來源：文獻

這項研究的合著者、同樣來自牛津的Tristan Farrow表示，這是第一次在生物中發現這種現象。他說：“這肯定是我們朝著‘薛定諤的細菌’進展的一步，如果你愿意那么說的話。”且這指向了另一個有可能自然發生的量子生物現象的例子：綠色硫細菌居住在深海中，光的稀缺可能會使生物進化出基于量子力學的適應性狀來促進光合作用。

然而，這樣的言論仍有許多爭議。第一，實驗中出現糾纏的證據是依據情況而定的。依賴于如何解釋腔內細菌中流入和流出的光子。Marletto和同事承認不考慮量子效應的經典模型也可以解釋實驗的結果。當然，光子并不是經典的，而是量子的。還有一個更加接近現實的“半經典”模型用牛頓力學來解釋細菌，用量子力學解釋光子，但這個半經典模型和Coles等人實際得到的實驗結果并不相符。這或許意味著量子效應對光和細菌都有作用。對此，James Wootton說：“這有點繞，但是我想他們只是在盡力避免干擾因素并夸大其辭。” James Wootton是IBM蘇黎世研究院的量子計算研究人員，他沒有參與這兩項研究。

第二，細菌和光子的能量是在一起測量的，而并沒有對細菌或者光子的能量進行單獨測量。荷蘭代爾夫特理工大學的Simon Gr?blacher認為這從某種程度上來說是一種限制，Simon Gr?blacher也沒有參與這項研究。他說：“似乎確實有量子事件發生，但是通常我們都需要對兩個系統分別測量來證明糾纏的存在。”這樣才能確定他們之間的量子關聯是存在的。

盡管有這些不確定性因素的存在，量子生物學從理論設想到實際存在的轉變只是時間問題。生物系統之外的單個或多個粒子在實驗中展現出量子效應已經有數十年了，所以在細菌甚至人類體內的分子中尋找相似的效應是十分合理的。但是，這些分子的量子效應在人類和其他的大型多細胞生物中會因為互相抵消變得很小。但是在細菌這樣小得多的生物中，量子效應則會有較大的作用。Gr?blacher說：“這個發現十分驚人，搞得我都有點受不了，但在真實生物系統中展現量子效應真的很令人激動。”

包括Gr?blacher和Farrow的研究組在內幾個研究團隊都希望根據這個想法進一步發展。Gr?blacher設計了一種實驗，可以將一種叫水熊蟲的水生生物置于疊加態。這個實驗就要比將光和細菌疊加起來難多了，因為水熊蟲的尺寸比細菌大幾百倍。Farrow正在想辦法改進細菌的實驗。今后幾年他們打算將兩個細菌同時置于糾纏態，而不是單個細菌。Farrow說：“長期的目標是開拓性的，十分基礎的。這關乎我們對于現實性質的理解，關乎量子力學效應在生物功能中是否存在應用。歸根結底，一切都是量子的。”但是量子力學原理在生物中是否起到作用還是一個大問題。

水熊蟲屬于緩步動物門（Tardigrata）。其可在高溫（151 °C）、接近絕對零度（-272.8 °C）、高輻射、真空或高壓的環境下生存數分鐘至數日不等。多數體長在0.3至0.5毫米間。緩步動物也是第一種已知可以在太空中生存的動物。

Marletto還提到，自然選擇有可能已經讓生命想出辦法利用量子現象生存，就像之前提到的深海中的光合細菌。但是對這個問題的研究需要我們從小處開始。研究正逐漸向宏觀系統進行探索，最近的一項研究已經成功使幾百萬個原子處于糾纏態。接下來關鍵的一步就在于證明組成生物的分子可以有量子效應，即使是出于一些微不足道的目的。通過探索量子和經典的邊界，科學家可以進一步了解宏觀層面的量子力學，如果它真的存在的話。

撰文 | Jonathan O'Callaghan

翻譯 | 劉博堯

審校 | 甘立

原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/schroedingers-bacterium-could-be-a-quantum-biology-milestone/

文章來源：環球科學ScientificAmerican

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