量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（PeterWolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩（左）和SohangKundu。图片来源：BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（MartinGruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes（左起）、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源：Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供；Makri的照片由NancyMakri提供；Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。南希-马克里（NancyMakri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命

厨师熟悉的化学反应如何帮助创造了地球上的生命美拉德反应每年锁住400万吨有机碳过程有助于稳定复杂生命进化的条件.用于使食物褐变并赋予其独特气味和味道的化学过程很可能发生在海洋深处，它帮助创造了生命所需的条件。该过程被称为美拉德反应，以发现该反应的法国科学家命名，该过程将小分子有机碳转化为较大分子，即聚合物。在厨房中，利用美拉德反应从糖中产生风味和香气。利兹大学卡罗琳·皮科克教授领导的一个研究小组认为，在海底，美拉德反应发挥了更根本的作用。具体来说，它有助于提高大气中的氧气含量和减少二氧化碳含量，从而为地球上复杂生命形式的出现和繁衍创造条件。海洋中的有机碳主要来自微生物。当这些生物体死亡时，它们会沉入海底并被细菌吞噬。衰变过程使用氧气并将二氧化碳释放到海洋中，最终进入大气中。科学家认为，近岸环境是大多数有机碳埋藏的地方。图片来源：利兹大学由于美拉德反应，较小的分子转化为较大的分子。这些较大的分子更难被微生物分解，并且可以在沉积物中储存数万年（如果不是数百万年）。科学家们将这种现象描述为“有机碳的保存”。有机碳在海底的长期储存或保存对地球表面的发展状况产生了重大影响。它限制了二氧化碳的释放，让更多的氧气进入地球大气层，并将过去4亿年来地球陆地表面变暖的变化限制在平均约5摄氏度。奥利弗·摩尔博士。图片来源：利兹大学该研究的第一作者、利兹地球与环境学院生物地球化学研究员OliverMoore博士说：“早在1970年代就有人提出美拉德反应可能发生在海洋沉积物中，但该过程人们认为速度太慢，无法影响地球上存在的条件。“我们的实验表明，当海水中存在关键元素，即铁和锰时，反应速率会提高数十倍。在地球漫长的历史中，这可能有助于为复杂生命在地球上栖息创造必要的条件。”作为研究的一部分，科学家们模拟了有多少有机碳因美拉德反应而被锁定在海底。他们估计，每年约有400万吨有机碳被锁在海底。这相当于大约50座伦敦塔桥的重量。为了验证他们的理论，研究人员在实验室中10摄氏度（即海底温度）下观察了简单有机化合物与不同形式的铁和锰混合时发生的变化。分析显示，经过美拉德反应的实验室样本的“化学指纹”与从世界各地海底采集的沉积物样本的“化学指纹”相匹配。这种“指纹”分析是在英国牛津郡的钻石光源进行的，这是英国的同步加速器，它产生强烈的光能光束，以揭示样品的原子结构。DiamondLightSource扫描X射线显微镜光束线(I08-SXM)首席光束线科学家BurkhardKaulich博士表示：“我们先进的I08-SXM仪器具有高稳定性、高能量和光学分辨率，经过开发和优化，可用于帮助探测环境系统中发生的碳化学和反应。我们非常自豪能够为更好地理解地球上复杂生命形式和气候创造所涉及的基本化学过程做出贡献。”来自利兹的皮科克教授说：“发现海洋中由铁和锰制成的活性矿物有助于创造地球上生命进化所需的稳定条件，这是非常令人兴奋的。”从更好地了解地球化学过程中汲取的经验教训可用于利用新方法来应对现代气候变化。伦敦玛丽女王大学环境科学家、该论文的作者之一詹姆斯·布拉德利博士表示：“了解影响沉积在海底的有机碳命运的复杂过程对于查明地球气候如何变化至关重要。响应自然过程和人类活动，并帮助人类更好地管理气候变化，因为碳捕获技术的应用和长期成功依赖于碳以稳定的形式被锁定，而不是转化为二氧化碳。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377171.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377171.htm