Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 88)

La bàn sinh học

Một số động vật biểu hiện giác quan thứ sáu khiến chúng cảm nhận được từ trường của Trái Đất. Điều này thấy rõ nhất ở các loài chim di trú, chúng dò theo các đường sức từ để đi lại trên hành tinh.

Đối với chim chóc, một lời giải thích hợp lí là trong hệ thống giác quan của chúng có mặt một khoáng chất sắt oxide gọi là magnetite vốn có từ tính mạnh, cho phép từng hạt sắp thẳng hàng theo từ trường Trái Đất. Tuy nhiên, có một lời giải thích khác viện dẫn cơ học lượng tử. Những protein nhất định, nhạy với ánh sáng lam, tạo ra một cặp “gốc” là các nguyên tử hay phân tử hoạt tính cao có một electron hóa trị, thay vì một cặp. Tác dụng của từ trường Trái Đất lên spin lượng tử của chúng làm cho các protein nhạy lam có hoạt tính trong thời gian dài hơn và gây ra một sự lệch màu sắc trong sự nhìn mà con chim di trú có thể phát hiện. Còn có ý kiến đề xuất rằng các electron hóa trị trong mỗi gốc này có thể bị liên đới [vướng víu], đảm bảo rằng khi một hạt sắp thẳng hàng với từ trường thì hạt kia cũng làm thế.

La bàn sinh học

Quang hợp lượng tử

Có lẽ thật bất ngờ, một trong những quá trình then chốt duy trì sự sống trên Trái Đất cũng có sự thành công của nó với vật lí lượng tử. Cây xanh thu năng lượng thông qua quang hợp, sử dụng năng lượng từ Mặt Trời để biến đổi nước và carbon dioxide thành glucose. Chìa khóa cho quá trình này là phân tử diệp lục chlorophyll và, đặc biệt, các phần tử gọi là chromophore thu giữ năng lượng của ánh sáng Mặt Trời lúc ban đầu.

Khi một photon bị hấp thụ bởi chlorophyll, năng lượng của nó gây ra các dao động phân tử ở một cặp chromophore chỉ có thể mô tả theo các thuật ngữ lượng tử. Các dao động đó vận tải năng lượng đi khắp cấu trúc tế bào của chiếc lá, và hiệu suất của sự vận tải năng lượng này tăng lên khi năng lượng của một cặp chromophore dao động khớp với các chuyển tiếp dao động của chúng, dẫn tới sự trao đổi một lượng tử năng lượng. Đặc biệt, chlorophyll biểu hiện hành trạng lượng tử này ở nhiệt độ ấm áp mà chúng ta vốn nghĩ chúng sẽ bị lấn át bởi các dao động phân tử khác. Chúng ta có thể học được nhiều điều từ một chiếc lá cây tầm thường.

Quang hợp lượng tử