研究性学习报告 量子力学发展史
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发布时间：2022-04-23 21:06
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时间：2023-10-09 16:39
量子相干助力光合作用
光合作用是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。这个过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要、不可或缺的，因此，光合作用历来也是科学家们关注的焦点。
研究人员一直怀疑，在光合作用内发生着一些非同寻常的事情。自从上世纪30年代开始，科学家们就已经认识到，这个过程必须由量子力学来描述。量子力学认为，诸如电子等粒子常常表现出波一样的行动。击中一个天线分子的光子会激起一波一波带能量的粒子——应激子，就像石头落入池塘会激起波纹一样。这些应激子接着会从一个分子“旅行”到另一个分子，直到到达反应中心，但是，它们的“旅行”路径是由随机的、未受指导的跳跃组成还是其行动更富有组织性？很多现代科学家已经指出，这些应激子可能是相干的，它们的波纹会延展到多个分子那儿，然而，与此同时，它们也会保持同步并且互相加强。
科学家们因此得出了一个很简单的结论：相干量子波同时能以两种或多种状态存在，因此，具有相干性的应激子一次能以两种或多种路径穿越天线分子组成的“森林”。事实上，它们能同时探测到多个可能的选择，并自动选择最有效的方式到达反应中心。
四年前，两个科研团队在美国加州大学伯克利分校的化学家格拉汉姆·弗莱明的领导下试图获得能支持这种假设的实验证据。其中一个团队使用一系列极短的激光脉冲来探测绿色硫细菌的光合作用器官。尽管科学家们不得不使用固态氮将样本冷却到77K（-196摄氏度），但激光中探测到的数据清晰地显示出了相干应激态存在的证据。第二个团队以紫细菌为研究对象进行了同样的实验，并在180K（-93摄氏度）下操作时，发现了同样的量子相干性。
