普林斯顿大学的William S. Tod 化学教授 格雷戈里·斯科尔斯怀疑，植物效率的关键源于它们利用量子物理学的能力，即非常小的粒子的不直观行为。2010年，他领导的团队展示了海洋藻类的量子效应。

但这一发现并非没有争议。量子行为通常在与实际干扰相隔离的极低温度下显现出来，引发了关于这些量子态是否能够在温暖潮湿的生活条件下存活的问题。

因此，斯科尔斯和他的团队决定在一种最简单的已知化学反应中探测量子行为，即氢原子从分子的一部分转移到另一部分。如果他们的实验成功，研究人员可以重写我们对化学反应如何发生的理解。

量子理论的核心是物质可以像粒子和波浪一样表现。如果我们在包含两个狭缝的屏障上发射粒子，经典物理学预测粒子将落在两个桩中，一个落在任一个缝隙之后。相比之下，量子力学预测每个粒子将像扩散波一样通过两个狭缝(见图)，其中任何点的强度可以加在一起或取消自身。

自20世纪20年代以来，这种物质的量子性质被称为叠加，已被预测和观察，并帮助我们理解微观世界。然而，这些量子思想尚未形成对化学反应的理解。

“这是我们试图回答的重大问题，”斯科尔斯说。“我们能否利用量子力学为我们的化学工作?”

研究人员通过研究当光照射到可以经历两个独立的氢转移反应的分子时发生了什么，一个在分子的左侧，一个在分子的右侧，研究人员解决了这个问题。如果经典规则占优势，那么每个反应将一次一步地进行。如果涉及量子规则，左右反应都将发生在量子叠加中。

为了确定这是否正在发生，Scholes的团队建立了一个实验，在反应过程中拍摄分子的快照。在WM凯克基金会的资助下，研究人员用激光脉冲轰击分子，激光脉冲将正常的混沌分子置于相同的量子节律中。研究生Ben Xinzi Zhang说：“我们用光来同步分子，使它们都跳到同一个节拍。”

接下来，为了确定分子是否确实处于叠加状态，研究人员使用第二个激光脉冲。它使用快速爆发来监视分子的状态，这些爆发点亮了原子的位置，就像一个照亮舞者的闪光灯。

研究人员然后寻找添加和取消的反应途径的模式，就像在双缝实验中一样。“签名将告诉我们这两方是如何进行互动的，”该团队的博士后研究员Kyra Schwarz说。

实验结果尚未确定，但如果量子叠加在氢的转移无处不在的反应中发挥作用，它可能成为自然界中许多过程的基础。结果还可以重塑化学反应如何在不同学科中被概念化和理解，从而可以利用量子特性来控制和创造新的反应。

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