Peter Tucker
0 
3793
1012
Många forskare tror att stora kvanteffekter som intrassling, där partiklar separerade med stora avstånd mystiskt kopplar samman sina tillstånd, inte bör fungera för levande saker. Men en ny artikel hävdar att den redan har - att forskare 2016 redan har skapat en slags Schrödingers katt - bara med kvanttrasslade bakterier.
Vanligtvis beskriver vi kvantefysik som en uppsättning regler som styr uppförandet av extremt små saker: ljuspartiklar, atomer och andra oändligt små föremål. Den större världen, på bakterieskalan (som också är vår skala - livets kaotiska värld) ska inte vara någonstans nära det konstiga.
Det var vad fysikern Erwin Schrödinger menade att säga när han föreslog sin berömda Schrödingers katttanksexperiment, som Jonathan O'Callaghan påpekade i Scientific American. I det tankeexperimentet skulle en katt i en låda utsättas för en radioaktiv partikel som till och med hade chanser att ruttna eller inte. Fram till lådan öppnades skulle den fattiga katten vara både levande och död på samma gång, vilket tycktes tydligt absurd för Schrödinger. Det finns bara något med kvantvärlden som inte verkar vara meningsfull i vår. [Hur kvantförvirring fungerar (Infographic)]
Men forskare är inte överens om var gränsen mellan den vanliga och kvantvärlden ligger - eller om den till och med existerar alls. Chiara Marletto, en fysiker vid University of Oxford och en medförfattare till det senaste tidningen, som publicerades 10 oktober i The Journal of Physics Communications, sa att det inte finns någon anledning att förvänta sig att det finns en gräns för storleken på kvanteffekter.
"Jag är intresserad av att studera gränsen där kvantreglerna slutar att gälla", berättade hon. "Vissa människor säger att kvantteorin inte är en universell teori, så den gäller inte för något objekt i universum, men faktiskt kommer någon gång att bryta ner. Mitt intresse är att visa att det faktiskt inte är fallet."
I detta syfte gick Marletto och hennes kollegor tillbaka och tittade på ett papper som publicerades 2017 i tidskriften Small som tycktes visa några begränsade kvanteffekter hos bakterier. De byggde en teoretisk modell av vad som verkligen kunde ha pågått i det experimentet i University of Sheffield, och det visar att dessa bakterier faktiskt kan ha trasslat in med ljuspartiklar.
Här är varför det är en så radikal idé:
Titta på dig själv och titta sedan på personen bredvid dig. Du är fysiskt separerade varelser, eller hur?
Men kvantmekanik säger till oss att detta inte behöver vara fallet. Partiklar, eller samlingar av partiklar, kan bli bundna i varandra, "sammantrasslade" så att deras vågformer är sammanflätade. Ingen av partiklarna kan förstås eller beskrivas utan att också beskriva den andra. Och att mäta en fysisk egenskap hos en partikel "kollapsar" vågformen för båda partiklarna. Separera partiklarna med tusentals mil, och du kan fortfarande omedelbart lära dig det ena fysiska tillståndet genom att bara mäta den andra.
Enligt den nuvarande kvantteorin finns det ingen gräns för denna effekt. Vad som fungerar för en proton bör fungera för en elefant. Men i praktiken är större system mycket svårare att förvirra. Och forskare har diskuterat om levande saker helt enkelt är för komplicerade för att trassla in. Du kämpar för att förvirra två elefanter av samma anledning som du kämpar för att lära de elefanterna att göra parskridskoåkning på olympisk nivå: Det finns ingen specifik naturlag som säger att det är omöjligt, men de flesta skulle vara överens om att det inte är möjligt.
Och ändå, 2017, sa ett team av forskare baserat vid University of Sheffield i England att de hade skapat ett tillstånd av det som kallas kvantkoppling i fotosyntetiska bakterier. De placerade några hundra bakterier i ett litet, speglat rum och studsade ljus runt. (Baserat på minirumets längd kvarstod bara en viss våglängd över tiden, känd som resonansfrekvensen.) Med tiden verkade sex av bakterierna utveckla en begränsad kvantförbindelse till ljuset. Så resonansfrekvensen av ljus inuti det lilla rummet tycktes synkronisera med frekvensen vid vilken elektroner hoppade in och ur sitt läge inuti bakteriens fotosyntetiska molekyler. (För mer information om denna effekt, kolla in den här länken.)
Marletto sa att hennes modell visar att denna effekt sannolikt innebar mer än bara kvantkoppling. Det var troligt något som höll på sig ännu lägre än vad experimenterna beskrev, sade hon
Bakterierna, hon och hennes kollegor visade, blev troligen förvirrad med ljuset. Vad detta betyder är att ekvationerna som används för att definiera var och en av vågformerna - av både ljuset och bakterierna - blir en ekvation. Inget är lösbart utan det andra. (Enligt kvantmekanik kan alla objekt beskrivas som både partikel och våg, men praktiskt sett är vågformerna i "stora" föremål som bakterier omöjliga att se eller mäta.)
Liksom Schrödingers ordspråkiga katt i en låda, verkade hela systemet existera i en osäker värld: Ljuspartiklarna verkar ha samtidigt slagit och missat bakterierna.
Detta bevisar inte bakterierna och ljuset var definitivt förvirrad, men det finns andra möjliga förklaringar som involverar klassisk fysik, och de har inte uteslutits ännu, sa hon.
"Det som saknas i detta experiment är förmågan att bekräfta intrassling på ett djupare sätt," sade hon.
Kvantförsök involverar ofta mätning av fysiska egenskaper hos en intrasslad partikel för att ta reda på om dessa egenskaper påverkar den andra partikeln. I detta fall skulle det ha inneburit att mäta fysiska egenskaper hos bakterierna i samklang med fysiska egenskaper hos ljuset. Det var inte möjligt i detta experiment, men Marletto sade att experiment redan är utformade för att kunna visa sann förvirring.
Ännu mer intressant, sa hon, är frågan om bakterierna använder intrasslingen på något sätt som är användbart för dem, men att besvara den frågan skulle kräva mycket mer experimentellt arbete.
"Det är möjligt att naturligt urval har fått bakterierna att dra fördel av kvanteffekter," sade hon.
Ursprungligen publicerad den .