在现代物理学的宏伟建筑中,量子力学的理论无疑是一块基石,许多物理学者坚信它蕴含着生命的奥秘。在生命的每一个细胞中,微观粒子如灵魂般穿梭,当植物吸收阳光,那些光波就会同时进入植物的每一个细胞。甚至人类的感知系统,也与这量子世界的神秘振动保持协调。在神奇的量子生物学世界里,生命仿佛一场概率的博弈,而游戏规则正由量子力学所掌控。
量子力学在解析众多生命现象时扮演着核心角色,它甚至可能构成了生命的基础本身。每当冬季来临,一些鸟类会飞往南方过冬,随后又北返以躲避酷暑,这是大家耳熟能详的鸟类迁徙。然而,长久以来,关于鸟类是如何精确导航的,一直是生物学界未解之谜之一,直到最近一项发现引起了巨大的轰动。
在过去的数年里,某类鸟类引领了一场科技革新,因为它采用的导航方法对整个科技界来说都是异常奇特的,它们居然利用了神秘莫测的量子力学——这个概念曾使包括爱因斯坦在内的许多物理学巨擘困惑不已。
当我们探索这种奇妙的生物时,难免感到惊异,这种生物被冠以“量子知更鸟”之名。量子力学向我们揭示了亚原子粒子的奇异特性,当你踏入这个微观世界,你必须摒弃常识和直觉思维。因为在这个尺度,物质可以像波一样扩散,量子粒子能同时存在于多个地点,还能进行某种神秘的通信。
物理学者亨里克一直致力于研究知更鸟如何利用地磁场导航的理论。他的实验室就是一个奇妙的磁性牢笼,他所施加的人造磁场与地磁场几乎无异,只是他能够随意改变磁场的方向。
在他的实验中,知更鸟总会跟随磁场方向,并留下划痕,但最神奇的是它们是如何感知磁场的。
地磁场极其微弱,几乎没有生物能感知,但当亨里克给知更鸟戴上遮住双眼的头套时,却发现了一个有趣的现象。他发现,遮住知更鸟的右眼会关闭大脑左半球的磁场感知,遮住左眼则会关闭右脑的感知。这表明,知更鸟的眼睛中隐藏着某种磁罗盘。
通常,我们用眼睛来接收图像,但眼睛还有另一种感光机制。如果我们用手电筒照射眼睛,瞳孔会收缩,这是一种保护机制,眼睛会对光粒子作出反应,光子携带的能量足以触发化学反应。
而在知更鸟的眼睛中,光也会激发类似的化学反应,实际上,射入的光子驱动着一个特殊的磁罗盘,它隐藏在细胞深处,游走在奇异的亚原子世界中,这个领域只有量子力学能提供解释。
想象一下,在知更鸟眼中的化学反应发生在能量谷之间,要触发反应,首先需要将一个分子推至“山顶”。感谢亨里克的实验,我们现在知道光在这一过程中发挥了巨大的作用。但当分子达到顶峰时,哪怕是最轻微的扰动都会使其在山顶发生偏转。
关键在于,知更鸟的化学磁指南正处于两个能量谷之间的高峰,若向任一方偏转,就会产生一种化学产物。即便是地磁场最微小的变化也会使分子跌入谷底,但这违背了直觉,解决这个难题的关键在于物理学中一个令人难以置信的观念,即便你对此感到困惑也无妨,因为连爱因斯坦都称之为“幽灵”。
这个观念是量子纠缠,它描述了两个粒子之间的通信速度似乎超过了光速。1935年,爱因斯坦发表论文质疑这一现象,但他错了。近年来,精确的实验证明了亚原子粒子确实存在纠缠,这意味着即使它们相隔宇宙两端,也能即刻影响对方,这也意味着同样的现象可能也在知更鸟的眼睛中发生。
当一个光子进入知更鸟的眼睛,它会产生一组所谓的纠缠电子,每颗电子都有两种可能的状态。为了便于理解,可以将它们比喻为红色和绿色,奇妙之处在于,除非测量它们,否则我们无法分辨二者,但又能同时识别它们。
将这些电子想象成转盘,它们既是红色也是绿色,只有当我们投掷飞镖,才能迫使第一个电子选择一种颜色,这如同一场概率游戏,不投掷飞镖就无法得知结果。
假设我们已经知道第一个电子是红色,那么在测量第二个电子时,逻辑上我们会认为获得红色和绿色的概率各占一半。然而你又错了。
根据量子纠缠理论,两个电子间有神秘的联系。比如,如果我们首先得到红色,接下来得到的总是红色,这个游戏没有概率可言,仿佛第一个电子一直在告诉第二个应该如何选择,这也解释了为何爱因斯坦称它们为“幽灵”,最不可思议的是,无论它们相隔多远,电子似乎都知道它们应该呈现相同的颜色。
而关键在于,两个电子不必呈现相同的颜色,它们可以以其他方式发生纠缠,所以如果第一个电子是红色,那么第二个总是红色,这种神秘的联系似乎是量子知更鸟罗盘的终极秘密,因为地球磁场的方向能影响它们的状态,这也是打破知更鸟化学罗盘平衡的关键。
地磁场的微小变化足以影响知更鸟中电子的纠缠方式,这足以改变它的磁性指南。我们终于明白,为何如此微弱的地磁场能让知更鸟感知方向,若磁场改变,知更鸟眼中的化学反应也会改变,影响其对磁场的判断。突然间,我们发现鸟类中也存在量子力学现象,这在生物学界可谓前所未有,知更鸟正是利用这种幽灵般的量子纠缠进行导航。
尽管量子效应在严格的实验室环境下都难以观察,但知更鸟却轻而易举地做到了,这些实验都是真实且经过验证的,尽管让人觉得难以置信!
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