花錢去解開植物的秘密

普林斯頓大學(xué)的William S. Tod 化學(xué)教授 格雷戈里·斯科爾斯懷疑，植物效率的關(guān)鍵源于它們利用量子物理學(xué)的能力，即非常小的粒子的不直觀行為。2010年，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了海洋藻類的量子效應(yīng)。

但這一發(fā)現(xiàn)并非沒有爭(zhēng)議。量子行為通常在與實(shí)際干擾相隔離的極低溫度下顯現(xiàn)出來，引發(fā)了關(guān)于這些量子態(tài)是否能夠在溫暖潮濕的生活條件下存活的問題。

因此，斯科爾斯和他的團(tuán)隊(duì)決定在一種最簡(jiǎn)單的已知化學(xué)反應(yīng)中探測(cè)量子行為，即氫原子從分子的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。如果他們的實(shí)驗(yàn)成功，研究人員可以重寫我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)如何發(fā)生的理解。

量子理論的核心是物質(zhì)可以像粒子和波浪一樣表現(xiàn)。如果我們?cè)诎瑑蓚€(gè)狹縫的屏障上發(fā)射粒子，經(jīng)典物理學(xué)預(yù)測(cè)粒子將落在兩個(gè)樁中，一個(gè)落在任一個(gè)縫隙之后。相比之下，量子力學(xué)預(yù)測(cè)每個(gè)粒子將像擴(kuò)散波一樣通過兩個(gè)狹縫(見圖)，其中任何點(diǎn)的強(qiáng)度可以加在一起或取消自身。

自20世紀(jì)20年代以來，這種物質(zhì)的量子性質(zhì)被稱為疊加，已被預(yù)測(cè)和觀察，并幫助我們理解微觀世界。然而，這些量子思想尚未形成對(duì)化學(xué)反應(yīng)的理解。

“這是我們?cè)噲D回答的重大問題，”斯科爾斯說。“我們能否利用量子力學(xué)為我們的化學(xué)工作?”

研究人員通過研究當(dāng)光照射到可以經(jīng)歷兩個(gè)獨(dú)立的氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的分子時(shí)發(fā)生了什么，一個(gè)在分子的左側(cè)，一個(gè)在分子的右側(cè)，研究人員解決了這個(gè)問題。如果經(jīng)典規(guī)則占優(yōu)勢(shì)，那么每個(gè)反應(yīng)將一次一步地進(jìn)行。如果涉及量子規(guī)則，左右反應(yīng)都將發(fā)生在量子疊加中。

為了確定這是否正在發(fā)生，Scholes的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在反應(yīng)過程中拍攝分子的快照。在WM凱克基金會(huì)的資助下，研究人員用激光脈沖轟擊分子，激光脈沖將正常的混沌分子置于相同的量子節(jié)律中。研究生Ben Xinzi Zhang說：“我們用光來同步分子，使它們都跳到同一個(gè)節(jié)拍。”

接下來，為了確定分子是否確實(shí)處于疊加狀態(tài)，研究人員使用第二個(gè)激光脈沖。它使用快速爆發(fā)來監(jiān)視分子的狀態(tài)，這些爆發(fā)點(diǎn)亮了原子的位置，就像一個(gè)照亮舞者的閃光燈。

研究人員然后尋找添加和取消的反應(yīng)途徑的模式，就像在雙縫實(shí)驗(yàn)中一樣。“簽名將告訴我們這兩方是如何進(jìn)行互動(dòng)的，”該團(tuán)隊(duì)的博士后研究員Kyra Schwarz說。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚未確定，但如果量子疊加在氫的轉(zhuǎn)移無處不在的反應(yīng)中發(fā)揮作用，它可能成為自然界中許多過程的基礎(chǔ)。結(jié)果還可以重塑化學(xué)反應(yīng)如何在不同學(xué)科中被概念化和理解，從而可以利用量子特性來控制和創(chuàng)造新的反應(yīng)。