薛定谔的细菌


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1935年,爱因斯坦提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)佯谬,揭示了量子力学的非定域性与我们的常识之间的矛盾。然后,他进一步把这个想 法推广,设想了一桶不稳定的炸药,经过一段时间后,炸药处于爆炸与不爆炸之间的量子叠加态。他把这个想法告诉薛定谔。受此启发,薛定谔把宏观量子叠加态推 广到生命体,提出了处于死与活的量子叠加态的薛定谔的猫。维基百科上有关薛定谔猫态的描述如下:

实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器 (注意必须保固这仪器不被容器中的猫直接干扰):在一台盖革 计数器内置入极少量放射性物质,在一小时内,这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%,它没有任何原子衰变的概率也同样为50%;假若衰变事件发 生了,则盖革计数管会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后,假若没有发生衰变事件,则猫仍旧存活;否则发生衰变, 这套机构被触发,氰化氢挥发,导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。

这个理想实验提出了一个很尖锐的问题,宏观的量子叠加态何时退化为确定的经典状态?难道是在打开容器的那一瞬间么?

图一:既死又活的薛定谔猫,猫的生死与原子的辐射与否纠缠在一起。(图片来源链接:Schrรถdinger’s Cat and the Measurement Problem

自从提出了薛定谔猫态之后,薛定谔似乎对于把量子力学应用到生物钟产生了浓厚的兴趣。在1944年,他写了一本小册子《生命是什么?》,详细的分析了为什么理解生命的本质必须要用量子力学。近期的实验证明了,量子力学在生命体中确实发挥了重要的作用。比如说光合作用,以及鸟类识别方向等等。从微观角度来说,生命体就是处于量子态的,量子特性是很多生命过程能够存在的必要条件。我相信,未来利用量子力学作为工具,将会不断刷新我们对生命过程的理解和认识。

既然生命内部的生化反应需要量子物理才能理解,那么生命体本身能处于量子态么?薛定谔的猫真的能存在么?这种处于量子叠加态的宏观生命体,挑战了我们的常识,也激发了一代代物理学家研究的灵感,并引发了哲学上的很多思辨和争议,比如说所谓的多世界理论。后来人们进一步的假设生命体自身有意识,能够观察自身,那么处于薛定谔猫态的生命体,是否就能通过观察让自身而处于生的状态呢?作为物理学家,我们不愿意深陷哲学思辨的漩涡中,而要用扎实的实验数据来说话。最近的20年,这方面的研究进展非常大。

1996年,美国国家标准局的Wineland组用单原子离子制备出了离子的位置与内部自旋之间的量子纠缠态,也就是薛定谔猫 态。Wineland在2012年获得了诺贝尔物理学奖,这个工作也是导致他拿奖的重要贡献之一。1999年奥地利的Zeilinger组用碳60分子实 现了双缝干涉实验,看到了与电子双缝干涉类似的明暗相间的条纹。最近,包含有几百个原子的复杂大分子,也被用来实现双缝干涉实验。最近十年,对光力学的研 究,使得人们能够把更大的物理系统冷却到量子基态,并制备其量子叠加态。比如说2011年,美国国家标准局的科学家就用超导电路系统,把一个直径15微 米,厚度100纳米的铝薄膜机械振子冷却到了量子基态。

虽然能够实现量子叠加态和量子干涉的物理系统越来越大,可是距离薛定谔原始的设想却 并没有靠近多少,因为这些系统都是无生命的。我们能在有生命的物理系统中做出宏观量子叠加态么?看起来是不可能的。可是这个疯狂的想法还是有人尝试过。在 2010年,德国马普所的科学家们提出在真空中用光抓住病毒,然后把病毒的质心运动冷却到量子基态,就可以用来制备出病毒的宏观量子叠加态了(见我以前的介绍文章)。

在马普所科学家发表他们理论方案的一年前,美国德州大学奥斯丁分校的李统藏等人已经开始在实验上研究如何在真空中用光抓住微米尺度的玻璃球,并冷却它的运 动。在马普所的理论文章发表后几个月,李统藏的实验文章也在《科学》上发表了。从那时起,他一直致力于在实验上制备宏观系统的量子叠加态。作为他的合作 者,我与他一起合写了一系列相关的理论论文。比如,我们2013年提出在真空中用光束缚的纳米金刚石来制备宏观薛定谔猫态。虽然这个方向进展很快,可是要 把纳米粒子冷却到量子基态,还是一个非常难的事情,短期内不可能实现。即使能够把纳米尺度的病毒抓住,冷却,并制备到量子叠加态,可病毒能否算是生命体, 仍旧存在争议。要毫无争议地制备生命体的量子叠加态,至少得用细菌才行。

图二:附着在薄膜振子上的细菌,随着振子一起被冷却到量子基态。图片来源: Tongcang Li, Zhang-Qi Yin,arXiv:1509.03763.

回过头来看,人们在实验上实际已经把比普通细菌大得多的机械振子冷 却到量子基态,且制备出了它们的量子叠加态和量子纠缠态。由于超导量子计算最近几年的迅速发展,人们对超导电路的操控能力得到了极大的进步。而与之连接的 薄膜振子就更容易被操控。由此,我们可以制备机械振子的任意量子叠加态,以及两个机械振子之间的量子纠缠态。所以,我们想,干脆把细菌放到这个冷却到量子 基态的薄膜表面,靠分子间的范德瓦尔斯力粘住,跟随薄膜被冷却,自然也就到了量子基态了。由于薄膜振子的质量比细菌的质量高两个量级以上,沾上细菌后薄膜 的频率与振动能量衰减率都不会有显著变化。而且被冷冻后,细菌仍旧可以保持生物活性。升温解冻后,细菌就能恢复正常的新陈代谢。

我们相信,利用现有的技术来把细菌冷却到量子基态并不难,可能3年内就能实现。问题是,为什么我们要做这个事情?人们已经在更大的系统中做出了量子叠加态,沾上一个 小细菌把这个实验重新做一次有什么意义呢?

首先,这个实验非常酷!薛定谔80年前提出的薛定谔猫悖论,为的是揭示量子力学的不完备性。现在我们的研究表明 薛定谔猫虽然很遥远,但薛定谔的细菌并不远,生命体的量子叠加态近在眼前。

其次,我们可以用这个实验来研究生命体内部的生化反应引发的波函数塌缩。前文提到过,如果猫有意识,它也许可以观察自身来确保波函数始终塌缩到生存的那一部分。而所谓的自我意识,从根本上讲不过是一系列的生化反应而已。研究细菌中生化反应对其自身量子叠加态的影响,可以算是实验上研究生命体意识如何对自身薛定谔猫态塌缩起作用的第一步。

图三:正在观察自己死活的薛定谔猫(图片来源:生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你

把冷冻的细菌制备到量子叠加态态,只是第一步,研究处于量子叠加态的生命体的生化反应等才是我们的目标。在我们这篇论文中,我们还提出了第二个实验,利用这个实验装置来精确的测量细菌内部分子的结构和缺陷,可以实现单个电子,乃至单个原子核的分辨率。一旦实现,能帮助我们更本质地理解生物大分子如何发挥功能。我们相信,随着生命体的量子叠加态在实验中实现,生物与量子物理将会更深度的交叉与融合,我们对生命的本质将会有更深刻的认识。

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