只有人類才能懂量子力學？知更鳥可不同意

2020-08-26 好奇心與狗

神奇的遷徙

一直以來，鳥類甚而整個動物界的遷徙之謎總是牽絆著科學家的好奇心。冬天，它們啟程飛向南方，而夏天又紛紛回歸。

鳥類遷徙

似乎是天經地義的事情，可又沒有那麼簡單。鳥類是怎麼記住回家的路的呢？試想在沒有地圖和GPS導航的情況下，人能輕易得到達一個目的地嗎？那鳥類們又是怎麼做到的呢？

一些研究小組對果蠅的研究過程中發現，它們是對磁場有感知能力的，而像帝王蝶這樣的昆蟲，就是靠著感知地球那微弱的磁場而找到遷徙的道路的。

帝王蝶(Monarch butterfly)

鳥類的研究也同樣，當在信鴿的上喙綁上磁鐵，它們就會失去地磁感知能力，並且失去方向。將知更鳥放在房間中，給整個房間加上微弱的人工磁場，發現知更鳥傾向於待在房間的某一個方向上的角落，當改變磁場的時候，它們也會變換位置。

知更鳥(Robin)

顯而易見，鳥類也是能夠感知地球磁場的。


磁感應之謎

地球磁場

為了解釋鳥類的磁感知能力，最初有兩種觀點：一種是生物體內含有一個磁感受器，就好像「指南針」，另一種則認為是磁場影響了生物體內的化學反應。

但是種種跡象表明，鳥類體內即使含有磁性礦石晶體，也和它們的磁感知能力沒有直接的關係。這一觀點在受到熱捧之後又迅速回歸原點，毫無進展。

那麼只剩第二種觀點了，但是，地球的磁場是相當微弱的，地表磁場大約只有30~70微特斯拉，對於生物來說，只有體內某個化學反應受到地磁場的影響才能夠感知到，但是這麼微弱的地磁場對活體細胞產生的能量還不及一個化學鍵形成或斷裂的能量的十億分之一。

那到底是什麼機制能夠讓微小的磁場影響到體內的化學反應呢。

或許，需要一種四兩撥千斤的機制來解釋這一切。就好像兩個勢均力敵的拔河選手，力量一致，誰也贏不了誰，這時候可能一陣輕輕的微風，就會用微小的擾動打破平衡，使得迎風的那一位選手獲勝。

微小的擾動能夠打破平衡態

德國科學家克勞斯·舒爾騰在哥廷根普朗克研究所期間，他猜想在高速三重態（Fast Triplet Reaction）反應中會產生成對的自由基，而自由基中的成對孤電子處於量子糾纏態，而這糾纏態的電子對磁場方向極為敏感，知更鳥可能就是應用這種量子糾纏機制來感知磁場。


量子解釋

在量子力學中，粒子有一個內稟屬性叫自旋，遵從角動量規律，大概的可以類比為地球自轉那樣的運動，但又不是同一個概念。無論從哪個方向看，粒子的自旋總能觀察到順時針（自旋向上）或者逆時針（自旋向下）。

根據泡利不相容原理，原子或分子中配對的兩個電子具有相同的能量，那麼他們只能以相反的方向進行自旋。在測量之前，電子是處於自旋疊加態的，它既是向上自旋，又是向下自旋，只是無論哪個同一時刻，兩個電子一個向上自旋，一個向下自旋。因此可以認為兩個電子的自旋相互抵消，這兩個電子只能表現為一種狀態，稱為自旋單態。

而如果兩個同能級的電子沒有配對，那麼它們可以朝相同的方向自旋，稱為自旋三重態。

在這個反應過程中，單態和三重態的概率不是相等的，外加磁場與分離電子對所形成的角度會影響它們的概率，於是最終就影響了化學反應的產物。

就是通過這樣的量子機制，影響知更鳥體內的化學反應，使得它們能夠感知地球磁場的方向。


當然，要說知更鳥懂量子力學，那自然是不可能的，只是它把這種能力刻在了基因裡面，能夠本能地對磁場做出反應。

人類對自然規律和現象的探索永無止盡，知更鳥遷徙的謎團也像是剝洋蔥一樣層層深入，人類的好奇心便是這樣知其一又知其二，不斷的打破砂鍋問到底。


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