ฟิสิกส์ควอนตัมอย่างเดียวไม่พอ: นักฟิสิกส์สาธิตฟิสิกส์ลูกผสมของกระบวนการสังเคราะห์แสง

By: terminus
Writer
on Sun, 15/02/2015 - 02:55

การสังเคราะห์แสง (photosynthesis) คือกระบวนของสิ่งมีชีวิตที่เอาพลังงานแสงมาแปลงให้อยู่ในรูปพลังงานเคมีซึ่งสามารถเก็บไว้ใช้ได้ในเซลล์ เมื่ออนุภาคแสงตกกระทบคลอโรฟิลล์ในคลอโรพลาสต์ (หรือรงควัตถุรับแสงอื่นๆ) พลังงานจากแสงจะกระโดดเป็นทอดๆ ไปจนถึง Reaction center ซึ่ง ณ Reaction center พลังงานแสงจะทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอนพลังงานสูงเข้าสู่กระบวนการลูกโซ่ส่งผ่านอิเล็กตรอน (Electron transport chain) ต่อไป


ภาพจาก Hyperphysics, Georgia State University

ปัญหาที่คาใจนักฟิสิกส์ คือ พลังงานแสงกระโดดข้ามไปถึง Reaction center ได้อย่างไรกันแน่ เพราะทั้งฟิสิกส์แบบคลาสสิกและฟิสิกส์ควอนตัมไม่สามารถให้คำตอบที่น่าพึงพอใจได้ คำอธิบายทั้งสองทางมีช่องโหว่รูเบ้อเริ่มในตัวของมันเอง

เริ่มที่การอธิบายด้วยฟิสิกส์แบบคลาสสิกในวันเดิมๆ สบายๆ กันก่อน ในทางนี้เราเชื่อว่าอนุภาคแสงกระโดดข้ามไปเหมือนกบกระโดดข้ามใบบัวไปจนถึงกลางสระ (ความจริงสิ่งที่กระโดดไม่ใช่อนุภาคแสง แต่เป็นอนุภาคเสมือนที่เรียกว่า exciton ซึ่งเกิดจากการที่อิเล็กตรอนได้รับพลังงานแล้วยกระดับตัวเองขึ้นไปอยู่ชั้นพลังงานที่สูงขึ้น) แต่นักฟิสิกส์ก็รู้ดีว่ามันไม่ใช่หรอก เพราะหากอนุภาคแสงค่อยๆ กระโดดข้ามคลอโรฟิลล์ทีละตัว มันจะกินเวลานานและสูญเสียพลังงานไปเยอะมากกว่าจะไปถึง Reaction center ซึ่งตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ การกระโดดของพลังงานแสงแทบจะไม่เสียเวลาและพลังงานเลย ประสิทธิภาพของการส่งพลังงานแสงเข้า Reaction center เกือบจะเต็ม 100% ด้วยซ้ำ

พอฟิสิกส์เดิมๆ ไปไม่รอด ฟิสิกส์ควอนตัมเลยถูกนำเข้ามาอธิบายปรากฏการณ์นี้โดยอธิบายว่า exciton ประพฤติตัวเหมือนคลื่นที่กระโดดข้ามไปในทุกเส้นทางที่เป็นไปได้ในเวลาเดียวกันแล้วเลือกเส้นทางที่มีความน่าจะเป็นสูงสุด วิธีนี้พลังงานแสงจะไปถึง Reaction center อย่างรวดเร็วและไม่เสียพลังงานมากนัก... แต่คำอธิบายนี้ก็สร้างปัญหาว่า exciton จะไปถึง Reaction center ได้จริงหรือ? เพราะเมื่อ exciton ประพฤติตัวเหมือนคลื่น พอมันวิ่งกระจายออกไป มันก็มีโอกาสที่คลื่นจะสอดแทรกหักล้างกันเอง ทำให้ exciton ส่วนใหญ่ที่กระจายออกมาโดนกักอยู่ในเขตสอดแทรกหักล้าง ไปไม่ถึง Reaction center สักที อุปมาเหมือนคลื่นน้ำในสระที่มีตอเยอะแยะ คลื่นก็จะสะท้อนตอไปมาและหักล้างกันเอง ไม่เหลือไปถึงกลางสระ (ตอ ในที่นี้คือความไม่เสถียรหรือสิ่งปะปนในรงควัตถุรับแสง)

ในปี 2008 นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดและ MIT จึงเสนอทฤษฎีว่า exciton ในกระบวนการสังเคราะห์แสงกระโดดไปโดยวิธี "Quantum Walk" ซึ่งอธิบายว่าเจ้ากบ exciton ของเราจะประพฤติตัวตามหลักฟิสิกส์ควอนตัมโดยกระจายตัวเป็นคลื่นเพื่อเลือกเส้นทางที่เร็วที่สุดไว้ก่อน แต่เมื่อคลื่นวิ่งเข้าสู่เขตสอดแทรกหักล้าง แทนที่มันจะโดนกักอยู่อย่างนั้น การไหลรบกวนของโมเลกุลของเหลวในคลอโรพลาสต์ก็จะซัดแกว่งสมการคลื่น ส่งผลให้คลื่น exciton สามารถหลุดหนีออกจากเขตสอดแทรกหักล้างได้ด้วยหลักการตามฟิสิกส์แบบคลาสสิกเหมือนกบที่กระโดดข้ามใบบัว พอหลุดมาแล้ว คลื่น exciton ก็จะกระจายหาเส้นทางต่อไป วนรอบอย่างนี้ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งไปถึง Reaction center วิธีนี้รับประกันว่ากบจะไปถึงกลางสระได้อย่างรวดเร็วและไม่หลงติดตกหล่นที่ตอตรงไหน

ล่าสุด ทีมวิจัยที่นำโดย Filippo Caruso จาก University of Florence ได้สาธิตว่า Quantum Walk แบบลูกผสมของฟิสิกส์ควอนตัมและฟิสิกส์แบบคลาสสิกสามารถเกิดขึ้นได้จริงตามที่ทฤษฎีทำนายไว้

พวกเขาสร้างแผ่นเขาวงกตโปร่งใสขึ้นมาด้วยรูปแบบต่างๆ กัน ช่องกำแพงในเขาวงกตจะถูกวางไว้ห่างจากกันด้วยระยะที่กำหนดไว้เป็นอย่างดี หากกำแพงอยู่ชิดกันภายในระยะหนึ่ง อนุภาคแสงก็จะข้ามไปได้ด้วยการประพฤติตัวเป็นคลื่นอย่างฟิสิกส์ควอนตัม แต่หากกำแพงอยู่ห่างกัน อนุภาคแสงก็จะต้องกระโดดข้ามไปอย่างฟิสิกส์แบบคลาสสิก

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าในเขาวงกตที่อนุภาคแสงจะต้องใช้ทั้งฟิสิกส์ควอนตัมและฟิสิกส์แบบคลาสสิก ประสิทธิภาพการส่งผ่านพลังงานนั้นทำได้ดีกว่าเขาวงกตรที่บังคับให้อนุภาคแสงต้องข้ามด้วยฟิสิกส์ควอนตัมหรือฟิสิกส์แบบคลาสสิกอย่างใดอย่างหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของการส่งผ่านพลังงานในการทดลองนี้ยังห่างไกลจากประสิทธิภาพในกระบวนการสังเคราะห์แสงอยู่มาก นักวิจัยเชื่อว่าแม้ว่าจะยังไม่อาจเทียบชั้นกับธรรมชาติ แต่ความก้าวหน้านี้ก็อาจนำไปสู่การประยุกต์เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ เช่น โซล่าร์เซลล์แบบใหม่ เป็นต้น

งานวิจัยนี้ถูกนำขึ้นไว้อยู่ที่ arxiv.org/abs/1501.06438

ที่มา - MIT Technology Review via Science Alert

7 Comments

hisoft's picture

อ่านแบบฟิสิกส์คลาสสิก พอเข้าใจครับ
อ่านแบบฟิสิกส์ควอนตัม พอเข้าใจครับ
พออ่านแบบฟิสิกส์ลูกผสมเท่านั้นแหละ มึนครับ 555
อ่านรูปอ่านอธิบายด้านล่างเพิ่มเติมแล้ว รู้เรื่องขึ้นมาบ้างแต่ก็ยังงงๆ อยู่

The Phantom Thief

terminus's picture

ผมพยายามลองแก้ไขดูนิดหน่อยแล้วครับ ไม่แน่ใจว่าจะอ่านเข้าใจง่ายขึ้นมั้ย ผมเองก็ไม่ค่อยเข้าใจตรงฟิสิกส์ชัดเจนนัก (ตรงที่เป็น "ชีววิทยา" ของ Antenna complex ของ Photosystem ผมยังลืมไปเลย จำได้คร่าวๆ ว่ามันมีกระโดดๆ)

waroonh's picture

ที่ผมอธิบายเรื่องแสงไงครับ
ถ้าผมลดรูป จาก 4 ตัว ให้เหลือ 2 ตัว

ฟิสิกส์คลาสสิก ที่มองแสงเป็น particle จะบอกว่า แสง จะชนผนังเซล และมีมวล
ฟิสิกส์ควอนตัม ที่มองแสงเป็น wave จะบอกว่า แสง ทะลุเข้าไปด้านใน เพราะเป็นคลื่น

ทั้งสองตัว มีจุดโหว่ ... ถูก เพราะ ตัวนึงบอกว่าชนที่ผนัง ไม่ได้ชนตรงกลาง
พอ เป็น wave เข้าไปด้านใน ชนกันเอง กลายเป็น การแทรกสอดแบบ wave ซึ่งทำให้พลังงานหายไป

ถ้ามองแบบ ที่ผม อธิบายคือ แสงจะถูก observation ที่ผิว เหมือน แสงผ่าน double slide แล้วเอา
ตัว detector ไปตั้งไว้ก่อนถึงฉากรับ เพื่อลบ quantum state ที่เป็น wave ออก
จะเหลือ wave เป็น particle แล้วถึงชนฉากรับด้าน ใน ...

ครับ ..

Holy's picture

สังเคราะห์แสง => สังเคราะห์ด้วยแสง

จินตนาการตามแล้วสนุกดีครับ ทีนี้ผมเลยสงสัยว่า ถ้าสุดท้ายไขปริศนาได้แล้ว เราจะสามารถทำ "ต้นไม้จำลอง" คืออาจเป็นแผ่นอะไรสักอย่างเขียวๆ ที่มีกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในตัว เอาไปแปะไว้ข้างตึก เพื่อดูดคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตน้ำตาลเอาไปทำเอธานอลต่อเลยอะไรแบบนี้ได้มั้ยครับ ถ้าราคาถูกอาจช่วยลดปัญหาโรคร้อน/มลพิษ/ขาดแคลนพลังงานได้เลย

-Rookies-'s picture

อื้อหือ ถ้าพิสูจน์ได้จริง เราก็จะเอาความรู็นี้ไปพัฒนาโซล่าเซลลืได้อีกโขเลยนะเนี่ย

Aphorist's picture

คลื่น ก็ ฟิสิกส์ควันตัม
อนุภาค ก็ ฟิสิกส์คลาสสิค
แสง เป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค (คือแบบเรียนมาแบบนี้)
ถ้าตามทวิภาคของคลื่นและอนุภาคแล้ว ผมก็อ๋อ ขึ้นมานิดหน่อย

Golflaw's picture

อ่านจบย่อหน้าสอง แล้วก็ต้องเลื่อนกลับไปดูชื่อคนเขียนก็ใช่เลย

ขอบคุณมากครับ อ่านง่ายและสนุกมาก

ปล.ตรงทวิภาคแอบยาก สงสัย ม.ปลาย เรียนไม่ถึง