Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong khi các nhà vật lí đang vật lộn nhằm đạt tới máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ 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 nhiệt độ thân thiện với cuộc sống trong hàng tỉ năm qua.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả

Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả Trong khi các nhà vật lí đang vật lộn nhằm đạt tới máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ 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 nhiệt độ thân thiện với cuộc sống trong hàng tỉ năm qua. Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thức năng lượng truyền trong các phân tử khai thác ánh sáng trong quá trình quang hợp. Nghiên cứu trên đã lên tới đỉnh điểm trong tuần này với việc công bố bất thường rằng những phân tử này ở một loài tảo đại dương có thể khai thác các quá trình lượng tử ở nhiệt độ phòng để truyền năng lượng mà không bị thất thoát. Các nhà vật lí trước đây đã bác bỏ các quá trình
lượng tử trên, cho rằng chúng không thể tồn tại đủ lâu ở những nhiệt độ như thế để thu được bất kì cái gì hữu ích. Sự quang hợp bắt đầu khi những cấu trúc lớn khai thác ánh sáng gọi là anten bắt lấy các photon. Ở loài tảo tên gọi là Chroomonas CCMP270, những anten này có tám phân tử sắc tố dệt thành một cấu trúc protein lớn hơn, với những sắc tố khác nhau hấp thụ ánh sáng từ những phần khác nhau của quang phổ. Năng lượng của các photon sau đó truyền qua anten đến một bộ phận của tế bào, nơi đó nó được dùng để sản xuất nhiên liệu hóa học. Lộ trình năng lượng đi qua khi nó nhảy qua những phân tử lớn này là quan trọng vì những hành trình dài hơn có thể dẫn đến thất thoát. Theo vật lí cổ điển, năng lượng chỉ có thể tác dụng theo cách của nó trong các phân tử một cách ngẫu nhiên. “Lí thuyết truyền năng lượng bình thường cho chúng ta biết rằng những bước nhảy năng lượng từ phân tử sang phân tử khác là một quá trình ngẫu nhiên, giống như đường đi về nhà 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 giả của bài báo đăng trên tạp chí Nature tuần này . Những Scholes và các đồng nghiệp của ông nhận thấy rằng cơ chế truyền năngcác phân tử sắc tố ở chính giữa của anten Chroomonas. Trước tiên, đội nghiên cứu kích thích hai trong số những phân tử này với một xung laser ngắn, làm cho cácelectron trong các phân tử sắc tố nhảy vào một sự chồng chất lượng tử của những trạng thái kích thích. Khi sự chồng chất này sụp đổ, 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 thể suy luận ra chi tiết sự chồng chất lượng tử đã tạo ra nó. Các kết quả thật bất ngờ. Không những hai phân tử sắc tố ở chính giữa anten tham gia vào sự chồng chất; mà sáu phân tử sắc tố kia cũng tham gia. “Sự kết 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 từ photon bị hấp thụ tự phát “dò thử” mọi đường đi có thể có qua anten. Khi sự kết hợp chia sẻ kết thúc, năng lượng trên được đưa vào một đường đi, cho phép nó thực hiện cuộc hành trình mà không có thất thoát. Khám phá trên đã đánh đổ một số niềm tin lâu nay về cơ học lượng tử, rằng sự kết hợp lượng tử không thể xảy ra ở đâu khác ngoài những nhiệt độ đông lại vì một môi trường nóng sẽ phá hủy hiệu ứng trên. Tuy nhiên, loài tảo Chroomonas thực hiện công việc của chúng ở 21 °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 tự hồi năm 2007 tại trường Đại học California, Berkeley, mặc dù ở nhiệt độ rất thấp, -196 °C. Đội của ông đã khảo sát phức hợp vi khuẩn chlorophyll tìm thấy ở các vi khuẩn sulphur màu lục và phát hiện thấy các phân tử sắc tố cũng quấn lại với nhau như thế trong một mạng lưới cơ lượng tử. Thí nghiệm của ông chứng tỏ rằng sự chồng chất lượng tử cho phép năng lượng khảo sát mọi con đường đi có thể có và chọn lấy con đường hiệu quả nhất . 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 ở nhiệt độ 4°C thân thiện với cuộc sống hơn. Họ nhận thấy thời gian tồn tại sự kết hợp là khoảng 300 femto giây (arxiv.org/abs/1001.5108v1). Chính xác làm thế nào những phân tử này vẫn giữ được tính kết hợp lâu như thế, ở nhiệt độ cao như thế 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, người đang hợp tác với Scholes tìm hiểu những cơ chế nền tảng và áp dụng chúng cho mọi nơi. Bà tin rằng cấu trúc protein của anten giữ một vai trò thiết yếu. “Sự kết hợp sẽ không sống sót nếu như không có nó”, bà nói. Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử có thể dùng để sản xuất pin mặt trời hiệu quả hơn. Công trình trên đang sắp làm thay đổi cách thức chúng ta suy nghĩ về sự quang hợp và sự điện toán lượng tử, Engel nói. “Nó là một kết quả lớn”. Sự khuếch tán ánh sáng Trong bầu khí quyển yên lặng, trong suốt, nhiệt độ không đổi, ánh sáng truyền theo đường thẳng. Tuy nhiên trên đường đi của nó vô số thành phần
vô cùng nhỏ hoạt động giống như những nguồn sáng và sẽ chiếu trả lại ánh sáng tứ phía và nhất là vào mắt ta. Người ta gọi là sự khuếch tán ánh sáng. Nếu là chân không (le vide) thì ta chỉ nhìn thấy ánh sáng khi nó tới mắt ta mà thôi, còn với bầu khí quyển nhờ chứa những phân tử khí, những hạt bụi... nên ban đêm ta có thể thấy được những chùm tia sáng của những nguồn sáng thật mạnh mặc dù chúng không chiếu thẳng vào mắt ta. Trích một đoạn của bài "Những đặc điểm của một kính thiên văn tốt": Khí quyển là một chướng ngại quan trong chính yếu cho sự quan sát thên văn. Trước tiên là những turbulences atmosphériques (sự rối 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 tỷ trọng không đống đều nên gây ra nhiễu xạ và làm cho ánh sáng thay đổi chiều. hình ành nhận được sẽ mờ, có khi có vẻ như đang "nhảy". Chính ví những turbulences này mà những ngôi sao có vẻ như chớp nháy và thay đổi màu. Ðể giải quyết vấn đề trên, người ta xây những đài thiên văn trên đỉnh núi cao, nơi đó không khí loãng hơn và nhiệt độ tương đối không đổi do đó ít có sự hính thành của turbulence Như vậy có nghĩa là kính thiên văn đặt nơi cao độ chừng nào thì nó càng tiếp nhận nhiều tia sáng hơn và càng ít nguồn ánh sáng thứ cấp làm rối nhiễu hình ảnh. Sự ô nhiễm ánh sáng là đề tài làm bận lòng các nhà vật lý thiên văn. Hiện tượng nàu gây ra bởi sự khuếch tán ánh sáng bởi không khí và hơi nước trong khí quyển. Ánh sáng từ những đèn đường, đèn trong thành phố khuếch tán ra làm sáng bầu trời. Bởi vậy trong thành phố trời ban đêm ít khi tối và trở nên hơi hồng khi có nhiều mây. Ở nhà quên ta thấy nhiều sao hơn ở thành phố bởi vì ở thành phố, ánh sáng thứ cấp làm sáng bầu trời và những ngôi sao có ánh sáng yếu ớt sẽ biến mất trong ánh sáng mờ thành phố. cũng vì vậy mà những đài thiên văn được đặt ở những nơi cao, xa thành phố. Nơi cao khí khô hơn nên nguồn sáng thứ cấp sẽ khuếch tán ít hơn , sự quan sát thiên văn sẽ hoàn hảo hơn.