一個波還是一道波？

物理學有一定律：能量守恆，意即能量不會無中生有，只會由一種形態化為另一形態。燃煤發電廠把蘊藏於煤的能量轉化為電能，電池把電能儲存為化學能，汽車則把汽油的能量轉化為動能。然而，能量轉化的過程並不完美，投入永遠多於輸出，例如燃煤發電廠的效率只有 30-40%，超過一半的能量浪費掉；汽車引擎的效率約 20%；太陽能電池板 25%；電動馬達算是「異類」，有 80-90%。

無論哪一種形態，地球上所有能量均來自同一個源頭，就是太陽；把太陽能保存在地面的第一個步驟是「光合作用」，它結合陽光、水份和二氧化碳製成碳水化合物，這是所有食物鏈的起點。身為地球上最重要的能量轉化過程，光合作用的效率又是多少？是超高的 95%。如果懂得模仿光合作用來製造太陽能電池，我們對化石能源的倚賴或可舒緩，明瞭這個高效率之謎遂成為科學界近年研究的重點。

最近有個新發現。若要明白其意義，首先要懂頗多的背景資料，讓我嘗試解說。

我問你，光合作用在哪裡發生？答案可以是森林，可以是植物，也可以是樹葉，某些肉眼看不見的藻類（algae）和細菌（bacteria）也可以，視乎你把眼光放大還是縮小。就本文而言，請大家和我一起把眼光縮至比細胞更小，小至分子（molecule）的程度：光合作用發生的地方，是一些叫「reaction centre」的蛋白質分子，讓我姑且稱其為「光合反應爐」；它不是獨立運作，必須依靠一些「天線分子」（antenna proteins）替它收集陽光。太陽的能量首先被天線分子吸收，再轉移至光合反應爐「加工」。今次的新發現就是關於這個能量轉移的過程。

不要忘記，我們現在處於非常微細的尺度，在這個層面觀看事物，可能需要顧及量子現象（quantum effect）。牛頓的古典物理學能夠解釋日常所見，但是去到原子世界便不管用；解釋如此微細的事物，需要量子物理學。在量子世界，很多有違常理、根本唔 make sense 嘅事都會發生。舉例，若我向你投擲一個量子棒球（即一個根據量子、而非古典規律飛行的棒球），你是沒可能打中的，因為這個棒球只是一道無線電波。唔明？正常。根據量子物理學，任何一粒 particle 同時也是一道 wave，而任何一道 wave 同時也是一粒 particle；中英夾雜不太好（雖然我經常這樣），讓我用廣府話再說一遍：任何一「個」波同時也是一「道」波，而任何一「道」波同時也是一「個」波。這就是量子物理學的中心思想。難以理解？當然。可以視之為原子世界給我們的「彈性」，任何時候都有兩個理論可供選擇；這個現象要用 particle 來解釋，它便是一「個」波；那個現象要用 wave 來解釋，它便是一「道」波。延續量子棒球的例子，當你不斷揮棒卻依然落空，那棒球一定是一道波；當它忽然擊中你的額頭，它便是一個波。什麼時候用哪個理論，做過實驗才知道。

日常情況下，我們視陽光為電磁波。然而，它被天線分子吸收及轉移至光合反應爐的過程中應該被視為一道波還是一個波呢？有些科學家認為是一「個」波，由於天線分子處於一個非常「不整齊」的環境，周圍有其他分子，每個分子也有自身的震動，即使吸收的陽光開始時維持 wave 的狀態，這個 wave 亦會很快被周遭環境干擾至所餘無幾。若果吸收的陽光是一「個」波，它便可以在天線分子之間互相傳遞，輾轉到達光合反應爐。這是一些科學家的想法。

一星期前，科學期刊《Nature》刊登了一篇論文^[1]，發現吸收的陽光可能是一「道」波。其實早於 2007 年已經有人發現類似現象，但那個實驗是在攝氏零下 196 度進行（低溫度，少干擾，一個對 wave 比較有利的環境），而這次是在室溫進行。當然，實驗的環境與現實相距甚遠，研究人員把天線分子從海藻分離，再以雷射刺激天線分子，觀察其吸收雷射能量後的反應。雷射不同日光，天線分子也非獨立個體，實驗結果會否在自然環境下出現實屬未知之數，這次實驗的意義在於指出陽光被天線分子吸收後維持一「道」波的可能性不容抹煞，任何描述天線分子能量傳遞的理論都應該涵蓋這個量子現象。

為何執著於一道波還是一個波呢？同是太陽能量，這道波和那個波有什麼分別？重點是，一道波可以做一個波永遠做不到的事。從天線分子到光合反應爐有很多條路徑可以走，如果能量是一「個」波，怎樣決定哪條路徑最快捷呢？是不是每條路徑輪流嘗試？如果是一「道」波，便可以同時嘗試多條路徑找出最快捷之一，非常高效率地抵達光合反應爐，這可能是光合作用超高效能的關鍵。科學家仍在摸索階段，最終關鍵在哪裡，現在仍然說不準，但是一道波和一個波的分別，是重要的研究方向。

剛剛說過一道波「可以同時嘗試多條路徑」，有些讀者可能不太明白，老實說，我也不太明白；這就是量子，不能以日常邏輯理解。另一個看法是，吸收的能量不是被任何一個天線分子獨佔，而是多個天線分子廣泛攤分；至於攤分如何導致高效傳送，這又很難理解。不如試試這個比喻，想像一場籃球比賽，球員（天線分子）的任務是把籃球（能量）「傳遞」至敵方的籃框（光合反應爐）。在籃球是個波這個正常情況下，入球的效率不高，因為球員事前無法預計最有效的進攻模式，而每次進攻只可嘗試一個模式。再想像，假如某隊球員有着超凡的默契，傳球流暢得有如行雲流水，時而五人同時手執籃球，時而五人手上都沒有籃球，時而五人手上各有五分一個籃球，怎說也好，總之是流暢得「超班」。這樣一隊籃球隊，想唔入波都幾難，因為籃球在他們手上已經不再是一個波，而是捉摸不到的一道波。他們超高效能的關鍵，可以說是五人非常有效地「share」這個籃球，也可以說是傳球流暢得像同時從多方進攻，怎理解也好，總之五人一體得令人五體投地。

說量子有這個好處，說得不明不白別人也不會怪你，因為量子現象本身就是不明不白。

（2010 年 2 月 11 日 信報副刊）

References:
[1] Elisabetta Collini, Cathy Y. Wong, Krystyna E. Wilk, Paul M. G. Curmi, Paul Brumer & Gregory D. Scholes
4 February 2010, Nature, 463, 644-647
Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature

其他報導：
03 Feb 2010, Scientific American
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03 Feb 2010, New Scientist
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03 Feb 2010, ScienceNOW
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04 Feb 2010, PhysicsWorld.com
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