Thiên nhiên vận dụng cơhọc lượng
tửrất hiệu quả
Trong khi các nhà vật lí đang vật lộn nhằmđạt tới máy tính lượng tử
hoạtđộng ởnhiệtđộ đông lạnh, thì những nhà nghiên cứu khác nói rằng loài
tảo khiêm nhường cùng vi khuẩn có lẽ đã và đang thực hiện các phép toán
lượng tử ở những nhiệtđộ thân thiện với cuộc sống trong hàng tỉnăm qua.
Bằng chứng phát sinh từmột nghiên cứu cách thức
năng lượng truyền trong các phân tửkhai thác ánh sáng trong quá trình quang
hợp. Nghiên cứu trên đã lên tớiđỉnh điểm trong tuần này với việc công bốbất
thường rằng những phân tửnày ởmột loài tảođại dương có thểkhai thác các quá
trình lượng tử ở nhiệtđộ phòng để truyền năng lượng mà không bịthất thoát.
Các nhà vật lí trướcđâyđã bác bỏcác quá trình
lượng tửtrên, cho rằng chúng không thểtồn tạiđủ lâu ởnhững nhiệtđộ như
thế để thu được bất kì cái gì hữu ích. Sựquang hợp bắtđầu khi những
cấu trúc lớn khai thác ánh sáng gọi là anten bắt lấy các photon. Ởloài tảo tên gọi
là Chroomonas CCMP270, những anten này có tám phân tửsắc tốdệt thành một
cấu trúc protein lớn hơn, với những sắc tốkhác nhau hấp thụánh sáng từnhững
phần khác nhau của quang phổ. Năng lượng của các photon sau đó truyền qua
anten đến một bộphận của tếbào, nơiđó nó được dùng để sản xuất nhiên liệu hóa
học.
Lộtrình năng lượng đi qua khi nó nhảy qua những phân tửlớn
này là quan trọng vì những hành trình dài hơn có thểdẫnđến thất thoát. Theo vật
lí cổ điển, năng lượng chỉcó thểtác dụng theo cách của nó trong các phân tửmột
cách ngẫu nhiên. “Lí thuyết truyền năng lượng bình thường cho chúng ta biết
rằng những bước nhảy năng lượng từphân tửsang phân tửkhác là một quá trình
ngẫu nhiên, giống như đường đi
vềnhà của một tên say rượu bước chân ra khỏi quán bar”, theo lời Gregory
Scholes tại trường Đại học Toronto, Canada, một trong các đồng tác giảcủa bài báo
đăng trên tạp chí Nature tuần này .
Những Scholes và các đồng nghiệp của ông nhận thấy rằng cơchếtruyền
năngcác phân tửsắc tố ở chính giữa của anten Chroomonas. Trước tiên, đội
nghiên cứu kích thích hai trong sốnhững phân tửnày với
một xung laser ngắn, làm cho cácelectron trong các phân tửsắc tốnhảy vào
một sựchồng chất lượng tửcủa những trạng thái kích thích. Khi sựchồng
chất này sụpđổ, nó phát ra các photon có bước sóng hơi khác kết hợp lại
hình thành nên hình ảnh giao thoa. Bằng cách nghiên cứu mẫu giao thoa này
trong ánh sáng phát ra, đội nghiên cứu có thểsuy luận ra chi tiết sựchồng chất
lượng tử đã tạo ra nó.
Các kết quảthật bất ngờ. Không những hai phân tửsắc tố ở chính giữa
anten tham gia vào sựchồng chất; mà sáu phân tửsắc tốkia cũng tham
gia. “Sựkết hợp lượng tử” này liên kết chúng lại với nhau trong chốc lát chừng
400 femto giây (4 × 10-
13 giây). Nhưng thời gian này đủ lâu cho năng lượng từphoton bịhấp thụtự
phát “dò thử” mọiđường đi có thểcó qua anten. Khi sựkết hợp chia sẻkết thúc,
năng lượng trên đượcđưa vào mộtđường đi, cho phép nó thực hiện cuộc hành
trình mà không có thất thoát. Khám phá trên đã đánh đổ một sốniềm tin lâu nay
vềcơhọc lượng tử, rằng sựkết hợp lượng tửkhông thểxảy ra ở đâu khác ngoài
những nhiệtđộ đông lại vì một
môi trường nóng sẽphá hủy hiệuứng trên. Tuy nhiên, loài tảo Chroomonas
thực hiện công việc của chúng ở21 °C.
“Công trình của Scholes thật kì lạ”, Gregory Engel tại trường Đại học
Chicago nói. “Khó khăn của thí nghiệm này là rất lớn”. Engel đã chứng minh
nguyên lí tương tựhồi năm 2007 tại trường Đại học California, Berkeley, mặc dù ở
nhiệtđộ rất thấp, -196 °C.
Đội của ông đã khảo sát phức hợp vi khuẩn chlorophyll tìm thấyởcác vi
khuẩn sulphur màu lục và phát hiện thấy các phân tửsắc tốcũng quấn lại với nhau
như
thếtrong một mạng lưới cơlượng tử. Thí nghiệm của ông chứng tỏrằng sự
chồng chất lượng tửcho phép năng lượng khảo sát mọi con đường đi có thểcó và
chọn lấy con đường hiệu quảnhất . Xét theo
một nghĩa nào đó, ông nói, anten trên thực hiện
một phép toán lượng tử để tìm ra con đường truyền năng lượng tốt
nhất. Engel và nhóm của ông tại Chicago vừa lặp lại thí nghiệm trên ởnhiệtđộ
4°C thân thiện với cuộc sống hơn. Họnhận thấy thời gian tồn tại sựkết hợp là
khoảng 300 femto giây (arxiv.org/abs/1001.5108v1). Chính xác làm thếnào
những phân tửnày vẫn giữ được tính kết hợp lâu nhưthế,ởnhiệtđộ cao nhưthế
và với khoảng trống tương đối lớn giữa chúng, là một bí ẩn, theo phát biểu của
lexandra Olaya-Castro thuộc trường Đại họcCollege London, ngườiđang hợp tác
với Scholes tìm hiểu những cơchếnền tảng và áp dụng chúng cho mọi nơi. Bà tin
rằng cấu trúc protein của anten giữmột vai trò thiết yếu. “Sựkết hợp sẽkhông
sống sót nếu nhưkhông có nó”, bà nói.
Hi vọng rằng sựkết hợp lượng tửcó thểdùng để sản xuất pin mặt trời hiệu
quảhơn. Công trình trên đang sắp làm thay đổi cách thức chúng ta suy nghĩvề
sựquang hợp và sự điện toán lượng tử, Engel nói. “Nó là một kết quảlớn”.
Sựkhuếch tán ánh sáng
Trong bầu khí quyển yên lặng, trong suốt, nhiệtđộ không đổi, ánh sáng
truyền theo đường thẳng. Tuy nhiên trên đường đi của nó vô sốthành phần
vô cùng nhỏhoạtđộng giống nhưnhững nguồn sáng và sẽchiếu trảlại ánh
sáng tứphía và nhất là vào mắt ta. Người ta gọi là sựkhuếch tán ánh sáng.
Nếu là chân không (le vide) thì ta chỉnhìn thấy ánh sáng khi nó tới mắt ta mà
thôi, còn với bầu khí quyển nhờchứa những phân tửkhí, những hạt bụi... nên ban
đêm ta có thểthấyđược những chùm tia sáng của những nguồn sáng thật mạnh
mặc dù chúng không chiếu thẳng vào mắt ta.
Trích mộtđoạn của bài "Những đặcđiểm của một kính thiên văn tốt":
Khí quyển là một chướng ngại quan trong chính yếu cho sựquan sát thên
văn. Trước tiên là những turbulences atmosphériques (sựrối loạn khí quyển) làm
ảnh hường lớn trong độ chính xác hình ảnh. Turbulences khí quyển là những
khối khí di chuyển. Những khối khí nóng thì bay lên và khối khí lạnh thì xuống
thấp. Những khôi khí này có tỷtrọng không đống đều nên gây ra nhiễu xạvà làm
cho ánh sáng thay đổi chiều. hình ành nhậnđược sẽmờ, có khi có vẻnhư đang
"nhảy". Chính ví những turbulences này mà những ngôi sao có vẻnhưchớp
nháy và thay đổi màu. Ðể giải quyết vấnđề trên, người ta xây những đài thiên
văn trên đỉnh núi cao, nơiđó không khí loãng hơn và nhiệtđộ tương đối không
đổi do đó ít có sựhính thành củaturbulence
Nhưvậy có nghĩa là kính thiên vănđặt nơi cao độ chừng nào
thì nó càng tiếp nhận nhiều tia sáng hơn và càng ít nguồn ánh sáng thứcấp làm
rối nhiễu hình ảnh. Sựô nhiễm ánh sáng là đề tài làm bận lòng các nhà vật lý thiên
văn. Hiện tượng nàu gây ra bởi sựkhuếch tán ánh sáng bởi không khí và hơi nước
trong khí quyển. Ánh sáng từnhững đènđường, đèn trong thành phốkhuếch tán
ra làm sáng bầu trời. Bởi vậy trong thành phốtrời ban đêm ít khi tối và trở
nên hơi hồng khi có nhiều mây. Ởnhà quên ta thấy nhiều sao hơnởthành phố
bởivìởthành phố, ánh sáng thứcấp làm sáng bầu trời và những ngôi sao có ánh
sáng yếuớt sẽbiến mất trong ánh sáng mờthành phố. cũng vì vậy mà những đài
thiên vănđượcđặtởnhững nơi cao, xa thành phố. Nơi cao khí khô hơn
nên nguồn sáng thứcấp sẽkhuếch tán ít hơn , sựquan sát thiên văn sẽhoàn hảo
hơn.