Biologie und Quanten-Mathematik

Các nhà khoa học đã tìm cách kết nối sinh học với cơ học lượng tử từ rất lâu. Phần lớn những nỗ lực đó không mang lại kết quả. Có lẽ mối liên hệ thực sự giữa hai lĩnh vực không nằm ở hiện tượng vật lý, mà ở toán học.

Cách đây hai thập kỷ, nhiều nhà khoa học tin rằng thời điểm đã đến. Họ cho rằng chúng ta sắp hiểu sinh học theo một cách hoàn toàn mới, mang tính lượng tử.

Sự sống tồn tại ở rất nhiều cấp độ khác nhau. Ở quy mô lớn nhất là sinh quyển của Trái Đất. Ở quy mô nhỏ nhất là những phân tử sinh học tạo nên tế bào. Nhưng ngay cả những thành phần nhỏ bé nhất của sinh học cũng không thực sự thuộc về thế giới lượng tử. Trong thế giới đó, các hạt hành xử như sóng. Chúng có thể vướng víu với nhau. Chúng có thể ở trong trạng thái chồng chập, nghĩa là tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc.

Dù vậy, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực sinh học lượng tử vẫn đang tìm xem liệu sinh vật có thể tận dụng các hiệu ứng lượng tử hay không. Câu hỏi cốt lõi của họ là: Liệu sự sống có thể khai thác hiệu ứng lượng tử trong không gian, thời gian và nhiệt độ vốn rất quan trọng cho sự sống?

Một ví dụ điển hình là quang hợp. Thực vật và một số sinh vật khác sử dụng các sắc tố và protein đặc biệt. Chúng thu nhận ánh sáng với hiệu suất gần như hoàn hảo. Gần như mọi photon đều được chuyển thành năng lượng hóa học hữu ích. Năm 2007, những bằng chứng mới xuất hiện cho thấy có lẽ sự sống làm được điều này nhờ một hiệu ứng lượng tử gọi là tính kết hợp. Ý tưởng này gây nhiều tranh cãi. Tế bào sống là môi trường ấm và ẩm ướt. Đó là một môi trường cổ điển điển hình. Thế nhưng theo giả thuyết này, tế bào vẫn có thể duy trì và tận dụng những trạng thái lượng tử vốn rất mong manh.

Gregory Scholes là nhà hóa học tại Đại học Princeton. Ban đầu, ông rất hào hứng với kết quả năm 2007. Ông cùng các đồng nghiệp đã làm thí nghiệm với protein và sắc tố tham gia quang hợp. Họ thu được những kết quả tương tự. Nhưng hiện nay Scholes lại tỏ ra hoài nghi. Ông không còn tin rằng hiệu ứng lượng tử thực sự đóng vai trò trong sự sống. Thay vào đó, ông đưa ra một ý tưởng khác: Có thể sự sống không dùng hiệu ứng lượng tử thật, mà chỉ bắt chước chúng. Trong nhiều công trình công bố ba năm qua, Scholes và cộng sự đã chứng minh rằng các mạng lưới phức tạp gồm những vật thể cổ điển có thể cùng nhau tạo ra những hiện tượng mới. Về mặt toán học, những hiện tượng này trông giống hệt vật thể lượng tử.

Cần nói rõ để tránh nhầm lẫn: Những trạng thái xuất hiện từ các mạng lưới này không thực sự mang tính cơ học lượng tử. Chúng chỉ "giống lượng tử". Chúng hình thành khi rất nhiều thành phần tương tác và dao động với nhau. Khi đó chúng hợp lại thành một thể tập thể. Và hành vi của cả khối tập thể này lại tuân theo chính thứ toán học vốn dùng để dự đoán thế giới lượng tử.

Scholes cho rằng có lẽ sinh học lượng tử ở quy mô lớn nên được hiểu theo cách khác. Có thể qua hàng tỷ năm tiến hóa, sự sống đã tìm ra con đường riêng để đạt được cùng một chức năng như các hệ lượng tử.

Việc cố gắng tái tạo một số khía cạnh của thế giới lượng tử bằng hệ cổ điển vốn đã được các nhà nghiên cứu nền tảng của cơ học lượng tử theo đuổi trong nhiều thập kỷ. Đó là nhận định của Markus Müller. Ông là nhà vật lý tại Viện Quang học lượng tử và Thông tin lượng tử ở Vienna. Theo Müller, Scholes đã chỉ ra hành vi giống lượng tử có thể nảy sinh từ những mạng lưới phức tạp tương đối bình thường. Mà những mạng lưới như vậy lại xuất hiện rất thường xuyên trong tự nhiên.

Sabre Kais là nhà hóa học lượng tử tại Đại học Bang North Carolina. Ông phát triển các thuật toán cho máy tính lượng tử để mô phỏng những hệ phức tạp. Theo ông, hệ cổ điển có thể bắt chước một số tính chất quan trọng của thông tin lượng tử. Đây là một hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn.

Giới hạn của sinh học lượng tử

Ý tưởng dùng vật lý lượng tử để giải thích những bí ẩn của sự sống đã xuất hiện gần như cùng lúc với chính cơ học lượng tử. Năm 1929, nhà tiên phong của vật lý lượng tử là Niels Bohr đã có một bài giảng. Trong đó, ông nêu một suy nghĩ khá mơ hồ nhưng rất gợi mở: Cơ học lượng tử, khi ấy vừa mới được xây dựng về mặt toán học, có thể đóng vai trò rất quan trọng khi bàn về vị trí của sinh vật trong bức tranh thế giới của chúng ta.

Người cùng thời với Bohr là Pascual Jordan đã viết về sinh học lượng tử trong nhiều thập kỷ. Ông cho rằng sự sống có một khả năng đặc biệt: khuếch đại tính bất định kỳ lạ của thế giới lượng tử lên quy mô vĩ mô. Ông xem đó là nền tảng cho tư duy của con người và cho ý chí tự do. J.B.S. Haldane, nhà di truyền học và sinh học tiến hóa, cũng viết điều tương tự Jordan trong một văn bản năm 1934: Điểm đặc biệt của sự sống chính là khả năng khuếch đại tính bất định lượng tử. Năm 1933, Jordan gia nhập Đảng Quốc xã và các nhóm bán quân sự của đảng này. Ông tìm cách gắn sinh học lượng tử với chủ nghĩa Quốc xã. Việc này đã làm tổn hại nghiêm trọng đến uy tín của sinh học lượng tử.

Những người đại diện đầu tiên của sinh học lượng tử tìm lời giải cho các đặc tính đầy bí ẩn của sự sống ở cấp độ cổ điển trong các định luật của vật lý lượng tử. Một hạt cổ điển tại một thời điểm chỉ có thể ở một nơi và ở một dạng duy nhất. Ngược lại, một hạt lượng tử lại phân bố trên tất cả những nơi và những dạng mà nó có thể tồn tại. Nó giống như một làn sóng của khả năng. Sự phân bố này được mô tả bằng toán học thông qua hàm sóng. Giống như sóng cổ điển, hàm sóng có những đỉnh và hõm.

Trước khi được quan sát, mọi trạng thái có thể của một hạt tồn tại đồng thời một cách hiệu quả. Chúng ở trong trạng thái chồng chập, giống như các sóng nước hay sóng âm chồng lên nhau. Và cũng như sóng chồng lên nhau, các trạng thái lượng tử xếp chồng có thể cộng hưởng, triệt tiêu lẫn nhau hoặc biến đổi nhau. Khi các trạng thái lượng tử trong chồng chập có tính chất sóng trật tự và có thể tác động lẫn nhau theo cách đó, người ta gọi chúng là kết hợp. Các hệ lượng tử kết hợp còn có thể vướng víu với nhau. Khi đó chúng hòa làm một, trở thành một thực thể thống nhất duy nhất với một hàm sóng chung.

Các trạng thái lượng tử rất nhạy cảm.