量子辅助的磁感应让鸟确定方向
另外一个存在已久的、能够用量子效应来解释的生物学谜题是,有些鸟儿如何通过感知地球的磁场来确定方向。
科学家们通过实验证实,鸟的磁场感应器被射入鸟视网膜上的光所激活。目前,研究人员对这一机制最好的猜测是,每个入射光子沉积的能量会制造一对自由基——高度反应的分子,每个自由基拥有一个未被配对的电子,每个未配对电子拥有一个内在的角动量—自旋,这个自旋的方向能被磁场重新定位。随着自由基分开,一个自由基上未配对的电子主要受到原子核附近磁场的影响,然而,另一个自由基上未配对的电子则会远离原子核,只感受地球的磁场,磁场差异改变了两个具有不同化学反应能力的量子状态之间的自由基对。
剑桥大学的物理学家西蒙·本杰明表示:“有种想法认为,当系统处于一种状态而不是另一种状态时,某种化学物质在鸟类的视网膜细胞中被合成,其浓度反映了地球磁场的方向。2008年,科学家们进行了一个人工光化学反应,其中,磁场影响了自由基的寿命,从而证明了这种想法的合理性。”
本杰明和同事之前认为,吸收单个光子会制造出的这两个未配对的电子以量子纠缠状态而存在,量子纠缠是量子相干的一种形式,在量子纠缠状态中,不管自由基移动得多远,一个自旋方向同另一个自旋方向密切相关。量子纠缠状态在室温下通常非常脆弱,但是,科学家们推测,它至少能在鸟的指南针中持续几十微秒,比在任何人工分子系统中持续的时间都要更长。
这种量子辅助的磁感应可能广泛存在。不仅鸟类,某些昆虫甚至植物都对磁场表现出了生理反应,例如,磁场可能也采用同自由基机制一样的方式出现的磁场来缓和蓝光对开花植物阿拉伯芥生长的抑制作用。本杰明表示,实验也证实了这一点:“我们需要理解这一过程涉及到哪些基本的分子,接着在实验室中研究它们。”