2007年4月,麻省理工学院的一些数学家和物理学家正在举行例行的文献交流会,这些科学家大多致力于一个被称为量子信息学的艰涩领域。那一次的交流会上,到场的展示小组呈现了一篇刊登在《纽约时报》上的文章,文章指出,植物就是某种意义上的量子计算机。整个房间里的人都爆发出了哄笑。其中一名组员塞思·劳埃德回忆他第一次听到的时候说:“我们觉得这真是荒谬至极……心情就像:‘老天爷啊,这真是我这辈子听过的最荒唐的事了!’”
麻省理工学院的科学家之所以不相信那篇文章,是因为全世界最顶尖、经费最充足的研究团队在过去数十年间一直试图设计出量子计算机的架构而未果。而《纽约时报》的文章却声称区区一棵路边草就能够执行量子计算的核心法则。如果那篇文章是正确的,就意味着科学家苦思冥想造不出来的量子计算机,居然就在他们每天中午吃的沙拉里!
让麻省理工学院的科学家们忍俊不禁的那篇论文出自一位移民美国的科学家——格雷厄姆·弗莱明。费莱明1949年出生于英格兰北部的巴罗,他目前领导着加州大学伯克利分校的一个研究团队,这个团队通过高度集中的短时激光脉冲,探查极其微小的分子系统的内部结构和动态。为了检测叶绿素样本的内部结构,弗莱明的团队向光合作用复合体FMO连续发射三束脉冲激光。三束激光的照射时间都受到精确控制并迅速照射到样本上。样本吸收激光的能量后放出一段光信号,这些返回的光信号被探测器所捕获。团队成员格雷格·恩格尔废寝忘食地拼凑着从信号中获得的数据,试图寻找有意义的结论,这些信号从50~600飞秒(10^-15)不等。恩格尔发现,反射的光信号呈现出时长至少600飞秒的起伏震荡。这些震荡信号与双缝实验中的明暗干涉条纹类似。这种“量子节拍”显示,激子在穿过叶绿素迷宫的过程中并不是循着某一条路,而是同时沿着多条可能的路径前进。能量沿着不同的线路传递就像弹奏两把音调略有差异的吉他:它们会产生震荡的差拍振动。
在阻止退相干上,微生物或者植物是不是真的可以打败麻省理工学院最聪明、最顶尖的研究人员?弗莱明在他的论文里给出了一个大胆的肯定回答。虽然交流会上的科学家对这个观点持怀疑态度,但他们还是决定让塞思·劳埃德负责复核这篇论文的真实性。
塞思·劳埃德经过严谨的复核后得出结论:弗莱明小组在FMO复合体中发现的节拍的的确确是量子相干性的特征,据此劳埃德总结认为,叶绿素分子能够执行一种特殊的检索方式,这种方式被称为量子漫步。
量子漫步相比于经典随机游走,其优势可以用一个例子来说明。我们想象一个酩酊大醉的人起身离开酒吧之后,酒吧发生了漏水。水从酒吧的门窗奔腾而出。与一次只能沿着一个方向走的醉汉不同,漏出的水可以同时向四面八方前进。由于水在街道上前进的速度与时间本身正相关,而不是与时间的平方根正相关。这意味着如果水流在第1秒前进了1米,那么2秒后它就前进2米,3秒后前进3米,依此类推。那个醉醺醺的行人马上就会发现有水从自己的身后没了过来,水流前进迅速的原因远远不止于此,与双缝实验中的量子叠加现象类似,水流能够同时向着所有可能的方向前进,其中某个方向上的水必然会早早在醉汉到家之前就到达他的房子。
不过在弗莱明2007年发表自己的实验成果后,很多人批评到他的实验是在77K(-196℃)的温度下,利用提取的FMO复合体进行的:这样的温度虽然能延缓退相干,但它对植物的光合作用,乃至对任何自然界的生命来说都太低了。那么低温下利用细菌成分获得的实验结果,可以在多大程度上反映“炎热”而“混乱”的植物细胞内部的情况呢?新的实验证据很快就出现了,量子相干性不是低温FMO复合体中特有的现象,而是存在于几乎所有高等植物体内,且可以在常温下运作。
2009年,都柏林大学的伊恩·默瑟在另一种细菌的光合作用系统中检测到了量子节拍,他们实验中使用的光合系统名为光吸收复合体Ⅱ,它与植物的光合系统十分相似。不过更重要的是,他们的实验是在常温下完成的,也就是植物和微生物进行光合作用的温度。一年之后,安大略大学的格雷格·斯科尔斯在一种被称为隐芽植物的海藻光合系统中证实了量子节拍的存在,隐芽植物虽然低等但是数量极其庞大,这让它们在吸收大气碳的数量上与高等植物旗鼓相当。差不多在同时,格雷格·恩格尔在格雷厄姆·弗莱明的实验室中证实,他们一直以来研究的FMO复合体也可以在更高、更适宜生命存活的温度下表现出量子节拍。同一时间,弗莱明团队中的特莎·卡尔霍恩和同事们在另一种植物的LHC2系统中检测到了量子节拍,而这次的样本是菠菜。所有高等植物体内都有LHC2,这个星球上50%的叶绿素位于LHC2系统里。
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