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2013年7月15日 星期一

光合作用與量子糾纏


小學時我們就學過,光合作用是植物將太陽光轉換成自身能量的方式。然而,光合作用的原理看似簡單,卻讓科學家驚嘆不已,因為它的光化學能量轉換效率非常高,幾乎可將接收到的太陽光百分之百地轉換成植物所需的化學能。相對而言,目前最高效率的太陽能電池僅有20%~30%的太陽能轉換成電能的效率。

量子糾纏(quantumentanglement)這個物理現象聽過的人可能就比較少了,量子糾纏1982年被法國科學家證實,兩個微觀粒子不管彼此之間相隔多遠,都存在著一種「瞬時」聯繫。比如我們將兩個粒子分開一千公里,甚至於更遙遠,其中一個狀態發生變化,另一個會在一瞬間感應到,好像彼此被某種無形的力量聯繫在一起。

一個是生物學領域的光合作用,一個是量子力學的粒子糾纏現象,兩者看似毫不相關,為何我們這裡還要介紹這兩個現象呢?

美國加州大學柏克萊分校的研究人員針對植物進行研究時,得到了一個驚人的發現,原來植物的光合作用的效率如此高,是因為植物內部能量的傳遞,就是採用量子糾纏的原理。量子糾纏效應可以在一瞬之間,將綠葉裡捕光分子取得的太陽能傳遞至負責進行光電反應的分子,從而達成超高效率的能量轉換。這個新發現發表在最新的《自然物理學》期刊(NaturePhysics)上。

物理學家原先認為量子糾纏非常脆弱而難以維持,然而現在卻發現,量子糾纏可以在生物系統中存在並保持一段時間。

由於量子糾纏的「瞬間傳遞」特性可應用於資訊領域,實現超高速的量子通訊,許多頂尖研究團隊致力於將量子糾纏以人工方式實現。目前最大的挑戰即是溫度的干擾,外界溫度的些微變化即會讓量子糾纏破壞然而,在植物內的捕光化合物分子中,量子糾纏卻能夠在自然環境狀態下穩定的維持著,就算外界溫度已經有很大的變化

這種穩定性究竟是如何達成的,目前還有待深入研究。過去人們實在很難想像,提升太陽能轉換效率以及達成量子通訊的奧祕,竟然都隱藏在我們周遭最平常的一花一草一樹之中!

看來,地球上的生命仍有許多奧妙是目前科學界還未充分瞭解的,有待我們抱著謙虛的態度深入研究。



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