"البكتيريا شرودنجر": معجزة الكم الأحياء ؟

الكم عالم غريب جدا. في النظرية والممارسة ، إلى حد ما ، مبادئ الكم العالم تتطلب أن الجسيمات يمكن أن يكون في مكانين في وقت واحد — هذه المفارقة الظاهرة المعروفة باسم تراكب — أن اثنين من الجسيمات يمكن أن "التورط" ، وتبادل المعلومات عبر تعسفا مسافات كبيرة. كيف بالضبط لا أحد يعرف بالضبط. المثال الأكثر شهرة من غرابة الكم العالم يمكن أن تسمى تجربة القطة ، الفكر التجربة التي أجريت من قبل اروين شرودنغر في عام 1935.

الفيزيائي النمساوي عقليا وضع القط في صندوق مع القاتلة مادة مشعة. غريبة قوانين ميكانيكا الكم يسمح القط موجودة في تراكب من الدولتين — على حد سواء الأحياء والأموات — على الأقل طالما الدرج فتحت ومحتوياته اكتشافها.

المراوغات من الكم العالم

مع كل الغرابة أن هذا المفهوم كان تجريبيا أكد مرات لا تحصى في الكم الحجم. ولكن عند الارتقاء لدينا حتى أن أقول أكثر بسيطة وواضحة العيانية العالم ، كل شيء يتغير. لا أحد رأى نجمة, كوكب أو قطة في تراكب أو في حالة من التشابك الكمي. ولكن منذ أن نظرية الكم وضعت لأول مرة في أوائل القرن 20th ، تساءل العلماء بالضبط أين تتقاطع والمجهري العالمين ؟ كيف كبيرة يمكن أن يكون الكم الواقع وسوف من أي وقت مضى كبيرة بما يكفي الأكثر غرابة الجوانب ارتباطا وثيقا مع الكائنات الحية ؟ على مدى العقدين الماضيين ، الناشئة في منطقة الكم الأحياء ، كان يبحث عن إجابات على هذه الأسئلة من خلال اقتراح إجراء التجارب على الكائنات الحية التي يمكن أن تساعد على اختبار حدود نظرية الكم.

هذه التجارب حققت بالفعل مثيرة للاهتمام, ولكن نتائج غير حاسمة. في وقت سابق من هذا العام ، على سبيل المثال ، وقد أظهرت العلماء أن عملية التمثيل الضوئي عند الكائنات الحية إنتاج الغذاء باستخدام الضوء التي يمكن أن تشمل بعض الآثار الكمومية. الملاحة الطيور أو حاسة الشم أيضا يشير إلى أن الآثار الكمومية يمكن أن تحدث في الكائنات الحية الأكثر غرابة. ولكن هذا ليس سوى غيض من فيض من الكم. حتى الآن لا أحد كان قادرا على جعل الكائن الحي — ولا حتى وحيدة الخلية البكتيريا إلى إظهار الآثار الكمومية مثل تشابك أو تراكب.

و الآن عمل جديد من العلماء من جامعة أكسفورد يجعل بعض مندهش لرفع الحاجبين ، ويكتبون أنها تمكنت بنجاح الخلط بين البكتيريا مع الفوتونات — جسيمات من الضوء. دراسة أجراها عالم ميكانيكا الكم كيارا, Marletto و نشرت في تشرين الأول / أكتوبر في مجلة الفيزياء الاتصالات يمثل تحليل تجربة نفذت في عام 2016 مع ديفيد Cowles من جامعة شيفيلد وزملاؤه. في تلك التجربة Cowles و وضعت الشركة عدة مئات الضوئي الأخضر البكتيريا الكبريت بين اثنين من المرايا تدريجيا تقليص الفجوة بين المرايا تصل إلى عدة مئات نانومتر — أقل من عرض شعرة الإنسان. يمر الضوء الأبيض من خلال المرآة, وكان العلماء يأملون أن الضوئي جزيئات البكتيريا في شكل زوج — أو-والتفاعل — مع الفراغ ، أي أن البكتيريا باستمرار استيعاب ، تنبعث منها وإعادة استيعاب كذاب الفوتونات. وكانت التجربة ناجحة. حوالي ستة البكتيريا تشكيل أزواج على هذا الأساس.

Marletto وزملاؤها يقولون أن البكتيريا شكلت زوجين مع تجويف. في تحليل أنها أثبتت أن الطاقة التوقيعات التي تم الحصول عليها في التجربة ، يمكن أن تكون متوافقة مع التمثيل الضوئي نظم من البكتيريا ، متشابكا مع الضوء في تجويف. في الواقع, يبدو أن بعض الفوتونات في وقت واحد ضرب وغاب التمثيل الضوئي الجزيئات داخل البكتيريا — وهذا كان السمة المميزة التشابك.

"لدينا نماذج تظهر أن هذه الظاهرة يمكن اعتبار التوقيع من التشابك بين النور و المعرفة درجات الحرية داخل البكتيريا".

ووفقا للدراسة المؤلف المشارك تريستان فارو., أيضا من جامعة اكسفورد لأول مرة وقد لوحظت هذه الظاهرة في الجسم الحي. "انها بالتأكيد مفتاح دليل على أننا بطريقة أو بأخرى تتحرك في اتجاه الأفكار «البكتيريا شرودنغر», إذا جاز التعبير," يقول. و تلميحات في آخر محتمل حالة الكم الأحياء في البيئة الطبيعية: الأخضر الكبريت البكتيريا تعيش في أعماق المحيطات حيث النقص في الضوء يمكن أن تحفز الكم الميكانيكية التكيف التطوري تشتت وصيانة التمثيل الضوئي.

هذه التصريحات المثيرة للجدل ومع ذلك ، هناك كثير من المزالق. أولا: دليل على التورط في هذه التجربة غير المباشرة ، اعتمادا على كيفية المراقب تقرر أن تفسير النور تتدفق وتتدفق من مكان ضيق تجويف من البكتيريا. Marletto ، زملائها ندرك أن النموذج الكلاسيكي خالية من تأثيرات الكم يمكن أن يفسر أيضا نتائج هذه التجربة. ولكن بالطبع الفوتونات ليست الكلاسيكية على الإطلاق بل هي الكم. و بعد أكثر واقعية "شبه الكلاسيكية" نموذج يستخدم قوانين نيوتن البكتيريا و الكم قوانين الفوتونات لا يمكن إعادة إنتاج النتائج التي تم الحصول عليها من قبل كولز وزملاؤه في المختبر. وهذا يدل على أن الكم التأثيرات مثل ضوء والبكتيريا.

أخرىالتحذير: البكتيريا طاقة الفوتون تم قياس معا وليس بشكل فردي. وهذا وفقا سيمون Groeblacher من التكنولوجية جامعة دلفت في هولندا ، الذي لم يشارك في الدراسة هو بعض القيود. "قد يبدو أن هناك شيئا ما على مستوى الكم," يقول. "ولكن… عادة عندما نظهر التشابك نقيس بشكل مستقل النظامين" للتأكيد على أن أي الكم المتبادلة بينهما سوف تكون حقيقية.

على الرغم من هذه الشكوك ، العديد من الخبراء الكم البيولوجية الانتقال من النظرية الطموح إلى الواقع الذي يمكنك أن تشعر انها ليست مسألة قدرة هو مسألة وقت. فرديا وجماعيا الجزيئات خارج النظم البيولوجية أثبتت بالفعل آثار الكم في التجارب المعملية التي أجريت على مدى عقود ، وبالتالي فإن البحث عن هذه الآثار بين الجزيئات داخل البكتيريا أو حتى أجسادنا لا يبدو غير معقول. في البشر وغيرها من الخلايا المخلوقات ، ومع ذلك ، فإن هذه الجزيئية آثار الكم من شأنه أن يكون من الصعب أن نرى ، ولكن البكتيريا الدقيقة لماذا ؟ "هذا هو اكتشاف لطيف, على الرغم من, الأمطار," يقول Grebler. "ولكن بالتأكيد أنها سوف تكون مفاجأة لأولئك الذين تثبت ذلك على سبيل المثال الحقيقي النظام البيولوجي."

العديد من المجموعات البحثية ، بقيادة بما في ذلك Groeblacher, فارو, نأمل في تطوير هذه الأفكار حتى أكثر من ذلك. Groeblacher ، وضعت التجربة التي يمكن أن تضع صغيرة الحيوان — tihohodka في حالة تراكب. سيكون أصعب بكثير من محاصرة البكتيريا مع الضوء بسبب الحجم الكبير نسبيا من الحيوانات. فارو. هو النظر في سبل تحسين تجربة مع البكتيريا. في السنة التالية وقال انه وزملاءه يأملون في الخلط بين النوعين من البكتيريا معا ، دون لمس الضوء.

"حول فهم طبيعة الواقع و حول ما إذا كانت آثار الكم دور في الوظائف البيولوجية. العميق في جذور الأشياء جميعا هو الكم".

يمكن أن يكون ، على سبيل المثال ، أن "الانتقاء الطبيعي قد حان حتى مع سبل المعيشة نظم بطريقة طبيعية إلى استخدام الكم الظواهر" الملاحظات Marletto نقلا عن المثال المذكور ceramictile التمثيل الضوئي في أعماق البحار. ولكن عليك أن تبدأ صغيرة. في تجربة حديثة تم بنجاح الخلط الملايين من الذرات. بالطبع هذا هو ضئيلة ، حتى بالمقارنة مع البكتيريا. ولكن إذا كان نهج من أسفل إلى أعلى سوف تعمل يوم واحد ونحن في انتظار متشابكة في العيانية مستوى المخلوقات والكائنات وحتى الناس.

ما رأيك, هل هذا ممكن ؟ قل لنا في <قوية>