光合作用科学史探究（量子叠加与光合作用）

通常对光合作用的解释是，植物吸收阳光、二氧化碳和水，并将它们转化为糖、氧气和能量。公式为：

所有这些都发生在植物细胞的叶绿体中，叶绿体包含一层层的类囊体，而类囊体又包含一种叫做叶绿素的色素。

叶绿素是整个过程的起点。这些绿色颜料主要是由碳和氧的长链组成，有些区域由氮和碳包围的镁原子组成。这种结构导致镁原子有一个价电子，当一个来自太阳的光子进入叶绿素时，它就会把它击散。当这种情况发生时，镁原子的外层由于失去一个带负电的电子而产生一个带正电的间隙。这个带正电的间隙和带负电的电子可以形成一对激子。激子像电池一样储存能量，因为它们有正极和负极。然而，为了释放这种能量，激子需要转移到一个可以分裂这对激子的反应中心。一旦这种能量被释放，它就为光合作用的其余部分提供动力。

问题是：激子需要随机地从一个叶绿素移动到另一个叶绿素，才能到达反应中心，就像一只盲青蛙在睡莲叶上跳跃。激子到达反应中心的概率只是99%中的一小部分。

量子世界是反直觉的。它的运行规则与日常物体不同，因为量子粒子既表现为粒子又表现为波。在我们的世界里，书桌上的铅笔或高速公路上行驶的汽车都只存在于一个地方。在量子世界中，粒子并不存在于特定的位置，直到它们被迫选择一个位置。在被迫做出选择之前，它们以概率波的形式存在。

双缝实验证明了这一点。想象量子粒子被发射到有两个垂直缝隙的屏障上。在这个屏障后面是一堵作为探测器的墙。你认为后墙上会出现什么图案？如果量子粒子确实是粒子，那么图案将是两个垂直的条带，因为一些将与屏障碰撞，而另一些将穿过其中一个狭缝并击中后壁。然而，事实并非如此。相反，产生了一种干涉图样，这只能意味着它们的行为像波。

• 一个波峰抵消了另一个波谷，而两个波峰叠加在一起。这在后墙上产生了明暗交替的图案。

事情变得更奇怪了。当量子粒子穿过狭缝时被探测到，它们被迫停止以概率波的形式存在，并选择一个位置。因此，背面壁上的图案变成了两条条纹。

此外，当只有一个量子粒子被激发时，结果是相同的。当它没有被探测到穿过狭缝时，它被允许作为一个概率波存在，它穿过两个狭缝，干扰自己，并在后墙上产生一个干扰图案。当它穿过狭缝时被检测到，它被迫选择一个位置，只穿过一个狭缝，并只击中了后墙的一个点。

回到激子到达反应中心的问题上，要使激子以99%的效率到达反应中心的唯一方法是它像波一样运动。如果这是正确的，那么激子以概率波的形式存在，并同时扩散到所有叶绿体中。

这个想法最初是在20世纪30年代提出的，直到21世纪才被物理学家认真对待。在第一个实验中，来自加州大学伯克利分校的研究人员用激光脉冲在叶绿素中产生激子。在处理完这些数据后，他们发现了激子确实是以波的形式运动的。

然而，在进行了无数其他实验之后，并不是所有的物理学家都被说服了。他们的首要问题是量子退相干。量子粒子的波动性质很难维持，因为它与几乎任何东西的相互作用都会迫使它坍缩成一个单独的粒子。当物理学家测量这种现象时，他们需要在严格控制的环境中工作，以保持波的相干状态，并避免它坍缩成退相干状态。一株植物很可能无法创造这些条件。

光合作用是否依赖于叠加仍然是一个悬而未决的问题。然而，我们了解得越多，就越觉得没有量子现象，我们认为理所当然的过程就不可能存在。例如，太阳的温度不够高，不能产生光，只能通过量子隧穿才能产生光，这也有助于解释DNA突变和酶的作用。即使鸟类没有量子纠缠也无法导航。所有这些都只是量子生物学这一新兴领域出现的少数例子，所以它可能并不像看上去那么疯狂。