科学家们设想在极冷的温度下完成植物量子力学的壮举bob.com

　　bob.com春天是我们这个世界最美丽的季节，树上长满了叶子，它们充当微型工厂，收集阳光并将其转化为食物和存储能量。我们对这一自然现象习以为常，但光合作用是如何真正发生的呢？

　　在光合作用过程中，植物利用量子力学过程。为了了解植物是如何做到这一点的，芝加哥大学的科学家最近在分子水平上模拟了叶子的运作。他们被眼前的景象震撼了。事实证明，植物就像一种奇怪的第五种物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。更奇怪的是，这些冷凝物通常在接近绝对零度的温度下发现。在一个正常的、温和的春日里，它们就在我们身边，这真是一个惊喜。

　　物质的三种最常见的状态是固体、液体和气体。当添加或移除压力或热量时，材料可以在这些状态之间转换。我们经常听说等离子体是物质的第四种状态。在等离子体中，原子分解成带正电的离子和带负电的电子场。这通常发生在材料过热时。例如，太阳主要是一个巨大的超热等离子体球。

　　如果物质可以过热，它也可以过冷bob.com，导致粒子陷入非常低的能量状态。了解接下来会发生什么需要一些粒子物理学知识bob.com。

　　有两种主要类型的粒子，玻色子和费米子，它们的区别在于一种称为自旋的特性 - 一种奇怪的量子力学特性，与粒子的角动量有关。玻色子是具有整数自旋（0，1，2等）的粒子bob.com，而费米子具有半整数自旋（1/2，3/2等）。这个属性由自旋统计定理描述，这意味着如果你交换两个玻色子，你将保留相同的波函数。你不能对费米子做同样的事情。

　　在玻色-爱因斯坦凝聚物中，材料中的玻色子具有如此低的能量，以至于它们都占据相同的状态，充当单个粒子。这使得量子特性可以在宏观尺度上看到。1995年，玻色-爱因斯坦凝聚态首次在实验室中产生，温度仅为170纳开尔文（绝对温度的170 毫微度）。

　　植物需要三种基本成分来制造自己的食物——二氧化碳、水和光。一种叫做叶绿素的色素从红色和蓝色波长的光中吸收能量。它反射其他波长的光，使植物看起来是绿色的。

　　在分子水平上，事情变得更加有趣。吸收光激发发色团内的电子，发色团是决定其反射或吸收光的分子部分。这引发了一系列连锁反应，最终为植物生产糖。芝加哥大学的研究人员利用计算机建模检查了绿色硫细菌（一种光合微生物）中发生的事情。

　　光激发电子。现在，电子和它留下的空白空间，称为空穴，一起充当玻色子。这种电子-空穴对称为激子。激子行进将能量输送到另一个位置，在那里为生物体产生糖。

　　“发色团...可以在它们之间以激子的形式将能量传递到可以使用能量的反应中心，有点像一群人将球传到目标，“该研究的主要研究者Anna Schouten解释道。

　　科学家们发现，局部区域内激子的路径类似于在激子凝聚物（由激子组成的玻色 - 爱因斯坦凝聚物）内看到的路径。激子凝聚物的挑战在于电子和离子倾向于快速重新结合。一旦发生这种情况，激子就会消失，通常在形成冷凝水之前。

　　这些冷凝物在实验室中非常难以制造，但它们就在科学家的眼前，在室温下在一个混乱的有机体中。通过形成凝聚态，激子形成了一个单一的量子态。从本质上讲，它们就像一个粒子。这形成了一种超流体 - 一种粘度为零和摩擦的流体 - 允许能量在发色团之间自由流动。

　　激子通常衰变很快，当它们衰变时，它们就不能再传递能量。为了延长它们的使用寿命，它们通常需要非常冷。事实上，从未见过激子凝结物高于100开尔文的温度，这是一个寒冷的负173摄氏度。这就是为什么在正常温度下在一个混乱的现实世界中看到这种行为是如此令人惊讶的原因。

　　“光合作用在常温下工作，因为大自然必须在常温下工作才能生存，所以这个过程进化到这样做，”Schouten说。

　　未来，室温玻色-爱因斯坦凝聚态可能会有实际应用。由于它们充当单个原子，玻色 - 爱因斯坦凝聚物可能让我们深入了解在原子水平上难以观察到的量子特性bob.com。它们还可用于陀螺仪、原子激光器bob.com、高精度时间、重力或磁性传感器，以及更高水平的能源效率和传输。