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光合作用与量子纠缠

光合作用与量子纠缠
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第64期
施予

小学时我们就学过,光合作用是植物将太阳光转换成自身能量的方式。然而,光合作用的原理看似简单,却让科学家惊叹不已,因为它的光化学能量转换效率非常高,几乎可将接收到的太阳光百分之百地转换成植物所需的化学能。相对而言,目前最高效率的太阳能电池仅有20%~30%的太阳能转换成电能的效率。

量子纠缠(quantumentanglement)这个物理现象听过的人可能就比较少了,量子纠缠1982年被法国科学家证实,两个微观粒子不管彼此之间相隔多远,都存在着一种「瞬时」联系。比如我们将两个粒子分开一千公里,甚至于更遥远,其中一个状态发生变化,另一个会在一瞬间感应到,好像彼此被某种无形的力量联系在一起。

一个是生物学领域的光合作用,一个是量子力学的粒子纠缠现象,两者看似毫不相关,为何我们这里还要介绍这两个现象呢?

当美国加州大学柏克莱分校的研究人员针对植物进行研究时,得到了一个惊人的发现,原来植物的光合作用的效率如此高,是因为植物内部能量的传递,就是采用量子纠缠的原理。量子纠缠效应可以在一瞬之间,将绿叶里捕光分子取得的太阳能传递至负责进行光电反应的分子,从而达成超高效率的能量转换。这个新发现发表在最新的《自然物理学》期刊(NaturePhysics)上。

物理学家原先认为量子纠缠非常脆弱而难以维持,然而现在却发现,量子纠缠可以在生物系统中存在并保持一段时间。

由于量子纠缠的「瞬间传递」特性可应用于信息领域,实现超高速的量子通讯,许多顶尖研究团队致力于将量子纠缠以人工方式实现。目前最大的挑战即是温度的干扰,外界温度的些微变化即会让量子纠缠破坏。然而,在植物内的捕光化合物分子中,量子纠缠却能够在自然环境状态下稳定的维持着,就算外界温度已经有很大的变化。

这种稳定性究竟是如何达成的,目前还有待深入研究。过去人们实在很难想象,提升太阳能转换效率以及达成量子通讯的奥秘,竟然都隐藏在我们周遭最平常的一花一草一树之中!

看来,地球上的生命仍有许多奥妙是目前科学界还未充分了解的,有待我们抱着谦虚的态度深入研究。

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