Quantum verden er meget mærkeligt. I teori og i praksis, at et vist omfang de principper, der er af den kvantemekaniske verden kræver, at den partikel, der kunne være to steder på en gang — det er en paradoksal fænomen, der er kendt som en superposition — og at to partikler kan blive “indviklet”, deling af information på tværs af vilkårligt store afstande. Præcis hvordan ved ingen præcist. Det mest berømte eksempel på den fremmedhed af den kvantemekaniske verden kan kaldes schrödingers kat, en tanke eksperiment udført af Erwin schrödingers i 1935.
Østrigske fysiker mentalt sætte kat i en kasse med potentielt dødelige radioaktive stof. De mærkelige love om kvantemekanik må katten eksistere i en superposition af to tilstande — både de levende og de døde — i det mindste så længe skuffen åbnes, og indholdet opdaget.
Påhit af quantum verden
For alle de mærkværdige af dette begreb blev eksperimentelt bekræftet utallige gange i quantum skala. Men når der skaleres op til vores, så at sige, mere enkel og klar makroskopiske verden, ændres alting. Ingen har set en stjerne, en planet eller en kat i en superposition eller i en tilstand af quantum entanglement. Men lige siden kvantemekaniske teori blev først formuleret i begyndelsen af det 20.århundrede, videnskabsfolk spekuleret over, hvor præcist skærer de mikroskopiske og makroskopiske verdener? Hvor stor kan den kvantemekaniske virkelighed, og vil det nogensinde bliver stor nok til at de mest bizarre aspekter var tæt forbundet med levende væsener? I løbet af de seneste to årtier, er det nye område af quantum biologi, ledte efter svar på disse spørgsmål ved at foreslå og gennemføre eksperimenter på levende organismer, der kan bidrage til at afprøve grænserne for kvante-teori.
Disse eksperimenter har allerede givet en interessant, men foreløbige resultater. Tidligere i år for eksempel har forskere vist, at fotosyntese, når organismer producere fødevarer ved hjælp af lys, som kunne omfatte nogle kvantemekaniske effekter. Navigation fugle eller vores lugtesans tyder også på, at kvantemekaniske effekter kan findes i levende væsener en højst usædvanlig måde. Men dette er kun toppen af isbjerget af den kvantemekaniske verden. Hidtil har ingen været i stand til at gøre en levende organisme — som ikke selv encellede bakterier til at manifestere kvantemekaniske effekter, såsom entanglement eller superposition.
Og nu, et nyt arbejde af forskere fra University of Oxford gør noget overrasket til at hæve øjenbrynene, de skriver, at de lykkedes med succes at forvirre bakterier med fotoner — partikler af lys. En undersøgelse foretaget af kvantefysiker Chiara, Marletto og offentliggjort i oktober i Tidsskrift for Fysik Kommunikation, udgør analysen af et eksperiment, som blev udført i 2016 med David Cowles fra University of Sheffield og hans kolleger. I dette eksperiment Cowles og virksomheden placeret flere hundrede fotosyntetiske grønne svovlbakterier mellem to spejle, gradvist at forkorte afstanden mellem spejlene op til flere hundrede nanometer — mindre end bredden af et menneskehår. Passerer hvidt lys gennem spejlet, forskerne havde håbet, at den fotosyntetiske molekyler i bakterier danner en par — eller vil-samspil — med tomhed, som er de bakterier, der løbende vil absorbere, udsender og opsuge den Hoppende fotoner. Eksperimentet var en succes. Om seks bakterier dannet par på dette grundlag.
Marletto og hendes kolleger hævder, at de bakterier, dannes et par med hulrum. I deres analyse viste, at den energi, underskrifter i eksperimentet, kan være kompatible med de fotosyntetiske systemer af bakterier, er viklet ind i lyset i hulrummet. I virkeligheden, det ser ud til, at nogle af de fotoner samtidigt ramte og gik glip af den fotosyntetiske molekyler inde i bakterier — det var kendetegnende for indvikling.
“Vores modeller viser, at dette fænomen kan betragtes som en signatur af entanglement mellem lyset og defineret grader af frihed inde i bakterier,” siger hun.
Ifølge undersøgelsen co-forfatter Tristan Farrow., også fra Oxford, for første gang, at dette fænomen er blevet observeret i vivo. “Det er helt sikkert nøglen til beviset på, at vi på en eller anden måde bevæger sig mod ideen om “bakterier schrödingers”, så at sige,” siger han. Og det tyder på en anden potentiel tilfælde af quantum biologi i det naturlige miljø: grøn svovl bakterier lever dybt i havet, hvor manglen på lys, som kan stimulere den kvantemekaniske evolutionær tilpasning til spredning og vedligeholdelse af fotosyntese.
Sådanne kontroversielle udtalelser er dog mange faldgruber. Først og fremmest, bevis for indvikling i dette eksperiment er indirekte, afhængigt af, hvordan den observatør, der beslutter sig for at fortolke det lys, der strømmer igennem, og der flyder fra et lukket hulrum-bakterier. Marletto, og hendes kolleger erkende, at den klassiske model for gratis fra kvantemekaniske effekter, kunne også forklare resultaterne af dette eksperiment. Men, selvfølgelig, fotoner er ikke klassisk overhovedet — de er quantum. Og endnu mere realistisk “semi-klassiske” model, der bruger Newton ‘ s love, at bakterier og kvantemekaniske love for fotoner, der ikke kan reproducere de resultater, der er opnået ved Coles og hans kolleger i laboratoriet. Dette indikerer, at kvantemekaniske effekter er set som den lys og bakterier.
En anden advarsel: bakterier energi og foton blev målt sammen snarere end individuelt. Det, ifølge Simon Groeblacher fra det Teknologiske Universitet i Delft i Holland, som ikke var involveret i undersøgelsen, er nogle begrænsninger. “Det kan synes, at der er noget på kvante-niveau,” siger han. “Men… normalt, når vi kan vise indvikling, vi måler uafhængigt i de to systemer” for at bekræfte, at alle kvantemekaniske korrelationer mellem dem vil være ægte.
På trods af disse usikkerheder, er mange eksperter quantum-biologiske overgangen fra den teoretiske ambition til virkelighed, som du kan føle, det er ikke et spørgsmål om evne er et spørgsmål om tid. Individuelt og kollektivt de molekyler, der er uden for den biologiske systemer har allerede vist, at kvantemekaniske effekter i laboratorie-eksperimenter udført i årtier, så søg for disse effekter blandt de molekyler inde i bakterier eller selv vores kroppe ikke synes urimeligt. I mennesker og andre flercellede væsener, men en sådan molekylær kvantemekaniske effekter ville være svært at se, men den lille bakterier — hvorfor ikke? “Dette er en behagelig opdagelse, selvom, og der forventes,” siger Grebler. “Men det vil helt sikkert være en overraskelse for dem, der vise det på eksemplet med en reel biologisk system.”
Flere forskergrupper, led af, herunder Groeblacher, Farrow, håber at udvikle disse idéer endnu mere. Groeblacher, udtænkt et eksperiment, der kunne sætte den lille dyre — tihohodka i en tilstand af superposition. Det vil være meget mere vanskeligt end fældefangst af bakterier med lys på grund af den relativt store størrelse af dyr. Farrow. er overvejer metoder til at forbedre eksperimentere med bakterier; i de følgende år, han og hans kolleger håber, at forveksle de to bakterier sammen, uden at røre lys.
“Det handler om at forstå karakteren af virkeligheden og om, hvorvidt kvantemekaniske effekter rolle i biologiske funktioner. Dybt i roden af ting, alle er quantum”.
Kan være så, for eksempel, at “det naturlige udvalg er kommet op med en måde at levende systemer i en naturlig måde at bruge kvantefænomener,” bemærker Marletto, citerer eksempler på de ovenfor nævnte ceramictile af fotosyntese i det dybe hav. Men du er nødt til at begynde i det små. I et nyligt eksperiment med succes har været forvirret millioner af atomer. Selvfølgelig, det er meget små, selv sammenlignet med bakterier. Men hvis en bottom-up tilgang vil arbejde, en dag vi venter på, at filtret på det makroskopiske niveau væsener, genstande og endda mennesker.
Tror du det er muligt? Fortæl os i vores chat i Telegrammet.