量子世界是一个奇异的世界。理论上，并在一定程度上在实践中，它的原则要求一个粒子可以同时出现在两个地方——这种悖论现象被称为叠加态——并且两个粒子可以“纠缠”，通过某种仍然未知的机制在任意大的距离上共享信息。
也许最著名的量子怪异例子是薛定谔的猫，这是埃尔温·薛定谔在 1935 年设计的一个思想实验。这位奥地利物理学家想象，根据奇怪的量子力学定律，一只被放置在装有潜在致命放射性物质的盒子里的猫，可能同时处于既死又活的叠加态——至少在盒子被打开并观察其内容物之前是这样。
尽管这听起来很离奇，但这个概念已经在量子尺度上经过无数次实验验证。然而，当我们放大到看似更简单、肯定更符合直觉的宏观世界时，情况就发生了变化。没有人见过恒星、行星或猫处于叠加态或量子纠缠态。但自从 20 世纪初量子理论最初形成以来，科学家们一直在思考微观世界和宏观世界究竟在哪里交汇。量子领域究竟能有多大？它有可能大到足以使其最奇异的方面密切而清晰地影响生物吗？在过去的二十年中，新兴的量子生物学领域一直在寻求这些问题的答案，提出并对活生物体进行实验，以探索量子理论的极限。
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这些实验已经产生了一些诱人但没有定论的结果。例如，今年早些时候，研究人员表明光合作用过程——生物体利用光制造食物的过程——可能涉及一些量子效应。 鸟类如何导航或我们如何闻到气味也表明量子效应可能以不寻常的方式发生在生物体内。但这些只是浅尝辄止地进入量子世界。到目前为止，还没有人成功地诱导整个活生物体——甚至单个细菌——表现出量子效应，例如纠缠或叠加。
因此，牛津大学一个小组最近发表的一篇新论文引起了一些关注，因为它声称细菌已成功与光子（光粒子）纠缠。这项研究由量子物理学家基亚拉·马莱托领导，于 10 月份发表在《物理学通讯杂志》上，是对谢菲尔德大学的大卫·科尔斯及其同事于 2016 年进行的一项实验的分析。在该实验中，科尔斯及其公司将数百个光合绿硫细菌隔离在两面镜子之间，逐渐缩小镜子之间的间隙，缩小到几百纳米——小于人类头发的宽度。通过在镜子之间反射白光，研究人员希望使细菌内的光合分子与腔体耦合或相互作用，这本质上意味着细菌将不断吸收、发射和重新吸收反射的光子。实验取得了成功；多达六个细菌似乎以这种方式耦合。
马莱托及其同事认为，细菌不仅仅与腔体耦合。在他们的分析中，他们证明实验中产生的能量特征可能与细菌的光合系统与腔体内部的光纠缠一致。本质上，似乎某些光子同时击中和错过了细菌内的光合分子——这是纠缠的标志。“我们的模型表明，记录到的这种现象是光与细菌内部某些自由度之间纠缠的标志，”她说。
牛津大学的另一位研究合著者特里斯坦·法罗表示，这是首次在活生物体中瞥见这种效应。“如果你愿意的话，这当然是证明我们正在朝着‘薛定谔的细菌’这个想法迈进的关键，”他说。它暗示了自然产生的量子生物学的另一个潜在实例：绿硫细菌生活在深海中，那里缺乏赋予生命的光，甚至可能刺激量子力学进化适应，以促进光合作用。
然而，对于如此有争议的主张，存在许多警告。首先也是最重要的是，该实验中纠缠的证据是间接的，取决于人们如何选择解释从腔体限制的细菌中涓涓细流进出的光。马莱托及其同事承认，不含量子效应的经典模型也可以解释实验结果。但是，当然，光子根本不是经典的——它们是量子的。然而，使用牛顿定律描述细菌和量子定律描述光子的更现实的“半经典”模型未能重现科尔斯及其同事在实验室中观察到的实际结果。这暗示量子效应在光和细菌中都发挥了作用。“这有点间接，但我认为这是因为他们只是试图严格地排除事物，而不声称太多，”IBM 苏黎世研究实验室的量子计算研究员詹姆斯·伍顿说，他没有参与这两篇论文。
另一个警告：细菌和光子的能量是集体测量的，而不是独立测量的。荷兰代尔夫特理工大学的西蒙·格罗布拉赫（Simon Gröblacher）没有参与这项研究，他认为这是一个局限性。“似乎有一些量子现象正在发生，”他说。“但是……通常如果我们证明纠缠，你必须独立测量这两个系统”，以确认它们之间的任何量子相关性是真实的。
尽管存在这些不确定性，但对于许多专家来说，量子生物学从理论梦想转变为有形现实只是时间问题，而不是是否会发生的问题。在生物系统外部，分子已经单独和集体地在数十年的实验室实验中表现出量子效应，因此，对于细菌甚至我们自己体内相似的分子，寻找这些效应似乎是明智之举。然而，在人类和其他大型多细胞生物中，这种分子量子效应应该被平均化到微不足道的程度——但它们在小得多的细菌中的有意义的表现不会太令人震惊。“我对[这一发现]有多令人惊讶有点矛盾，”格罗布拉赫说。“但如果你能在真正的生物系统中展示这一点，那显然是令人兴奋的。”
包括格罗布拉赫和法罗领导的几个研究小组希望进一步推进这些想法。格罗布拉赫设计了一个实验，可以将一种叫做水熊虫的小型水生动物置于叠加态——由于水熊虫的尺寸比细菌大数百倍，因此这个提议比将细菌与光纠缠要困难得多。法罗正在研究改进细菌实验的方法；在 2019 年，他和他的同事希望将两个细菌相互纠缠，而不是分别与光纠缠。“长期目标是基础性和根本性的，”法罗说。“这是关于理解现实的本质，以及量子效应是否在生物功能中发挥作用。从根本上说，一切都是量子的，”他补充道，而最大的问题是量子效应是否在生物的运作方式中发挥作用。
例如，可能是“自然选择已经为生命系统找到自然利用量子现象的方法，”马莱托指出，例如前面提到的细菌在光线匮乏的深海中进行光合作用的例子。但要弄清真相，需要从小处着手。研究一直在稳步攀升到宏观层面的实验，最近的一项实验成功地纠缠了数百万个原子。证明构成生物的分子表现出有意义的量子效应——即使是为了微不足道的目的——也将是关键的下一步。通过探索这种量子-经典边界，科学家们可以更接近理解宏观量子化意味着什么，如果这种想法是真实的话。
乔纳森·奥卡拉汉是一位居住在伦敦的自由空间和科学记者。您可以在 Twitter 上关注他@Astro_Jonny。