博文
乌鹊南飞？电子自旋
精选
||
“月明星稀，乌鹊南飞，绕树三匝，何枝可依？” 曹操的这首诗大家都熟悉，但诗中竟然隐藏着深刻的自然奥秘。候鸟迁徙穿云破雾、昼夜兼程，距离动辄数千公里而能够准确找到目的地，这种数学的确定性必然基于精确科学的机理。1850年代，俄国动物学家把各地候鸟同时到达的地点在地图上连成“同时达到线”(isepipteses) ，发现其趋势是向北极收敛，据此推断候鸟导航依靠地球磁场。100多年后，德国鸟类学家经过多年的实验，把迁徙状态中的候鸟放在屏蔽了地磁场的笼子里，用人造磁场，证实了磁场对鸟类导航的作用。读者可能想，候鸟跟郑和下西洋一样，有个类似指南针的装置。但进一步实验发现一个奇怪的现象，如果把候鸟的眼睛蒙住，它们就失去了识别磁场的能力。且让我把候鸟这种同时依赖磁场与光的导航系统称为磁光导航，那么现代科学怎么解释鸟类的磁光导航呢？ 
生物现象归根揭底是化学现象，而化学现象归根结底又是物理现象。要对生物产生影响（包括神经信号），必须有某种化学反应机制。但是地球磁场非常弱，只有约 0.3 高斯。医院用的 MRI 磁场量级是3个特斯拉。一个高斯只有万分之一特斯拉。如果计算一下这么微弱的地磁场产生的能量差，可以说微乎其微，根本不足以影响普通的化学过程。中学课程里讲到过电子自旋，电子轨道能级，电子配对，轨道杂化等等，似乎从未听到过化学反应与微弱的地球磁场有关。而鸟类体内必须存在某种化学反应，对磁场非常敏感。1970年代，化学家们发现有些化学反应与磁场有关，这也给鸟类导航提供了可能的机制。
要理解鸟类的磁光导航原理，我们先得回顾一下电子自旋。在《从青蛙蹬腿到电子自旋 》中，我讲到电子有着量子化的自旋角动量，大小为 1/2 。这个1/2 的自旋还带来一个极为重要的后果，那就是两个电子不能处于同一个状态。这叫着泡利不相容原理。我在前文中提到，正是电子的这个自旋特性使空气中的可燃物不会自发燃烧，这里稍微详细的讲解一下。
氢气可以在氧气中点火燃烧，变成水。为什么把氧气和氢气混在一起，不会自动燃烧呢？ 光从能量上看，显然这是可以的。但由于电子自旋导致的氧气的特性，这个反应不能自发进行。中学化学里讲过，两个氧原子通过两个共价键连接，形成氧气分子 O2。但如果仔细分析，两个共价键并不相同。在两个氧原子的连线方向 哑铃型的 p 电子云头对头最大重叠，这叫着西格玛键，这种键是最牢固的（能量最低）。另一个键的哑铃型是并排的，这叫着 Pi 键。由于氧分子里 Pi 键轨道还空着两个，剩下的两个电子配对有三种选择。选择之一是两个电子处于同一个Pi 轨道，自旋相反；选择二： 不同的Pi 轨道，自旋相反；选择三： 不同的 Pi 轨道，自旋相同。这三种可能都是“合法”的。通常情况下，分子处于能量最低的基态。那么哪个选择的能量最低呢？
答案是三。电子的状态由自旋与轨道两者确定。根据泡利不相容原理，两个电子或者自旋不同，或者空间位置不同。如果两个电子自旋相反，两个电子就可能出现在同一处，它们之间的排斥力大，能量也高。如果两个电子自旋相同，它们在空间上位置相近的几率就小（轨道反对称），它们之间的静电排斥作用也就小，能量较低。因此，氧气（双原子）分子的最后两个电子自旋方向相同（基态）。由于电子自旋为1/2，自旋平行的两个电子的总自旋就是 1。总自旋1，那么某个方向的自旋角动量分量可以有 -1， 0， +1 三种情况（单位是普朗克常数）。我们于是把两个电子自旋平行的状态叫做三胞胎态 (triplet state)（简称三态）。如果是自旋相反，总自旋为0，那么只有一种选择，称为单态（singlet state）。三态与单态之间的重叠为零（注意，这里的文字描述在物理上对应的是精确的数学方程）。氧分子的基态能级图如下：
现在我们可以解答为什么可燃物在氧气中一般不会自燃了。通常物质里的分子都处于自旋的单态（自旋为零），而氧气分子处于三态（自旋为一）。化学反应中自旋守恒（一般来说），也就是说自旋不能从1变成0。这就导致氧气与其他物质在一般情况下反应很慢。可以说，物体的自动氧化被自旋限制给卡住了。可想而知，如果氧气分子处于单态，那么它将很容易跟物质发生化学反应。在生物体内，单态氧分子（以及损失了一个价电子的自由基 O2-）将对脆弱的各种有机分子产生破坏性的后果。
如果有某种物理机制与电子自旋发生作用，那么电子的自旋也可以改变。由于电子的自旋，它像一个小的磁铁一样具有磁性（铁磁体的磁性就是来自电子自旋），可以与外界磁场作用。因此，在磁场中，电子的自旋方向可能发生反转。
电子自旋与磁场的耦合为候鸟的磁光导航提供了合理的生物化学解释。目前得到广泛接受的理论是：鸟类的眼睛里存在一种物质，它在蓝光光子的激发下形成一对自由基，各自带一个电子，自旋相反。这两个自由基可以游离开来但是保持量子缠绕的状态。当两个自由基距离变大，即使在微弱的地球磁场下，它们从自旋单态变成自旋三态的几率也相当可观。如果两个自由基保持在自旋单态，那么它们可能重新组合，释放出原来的光子；如果转变成自旋三态，则会进行不同的化学反应。两个反应路径的差别可以在鸟的视野里形成一个相对暗的区域，显示磁场的角度。形象的说，鸟眼睛里内置了一个通过光子激发，指示磁场的抬头平显。
具体负责上述不同反应的是什么物质呢？根据 UIUC 大学 Klaus Schulten 等人的研究，眼睛里的Cryptochrome 的分子与双氧自由基 （O2-）（很可能）是相关反应的载体。一项与导航无关的生物研究认为鸟类牺牲了抗氧功能而不得不增强繁殖能力（Birds sacrifice oxidative protection for reproduction）。如果鸟类导航确实与 O2- 有关，那么一切就得到了科学的解释。鸟类牺牲寿命换取了导航功能，获得成功迁徙的能力，也就能够繁衍生息。
人眼睛里也有 Cryptochrome ，但是人体具有很强抗氧能力，能够及时把 O2- 去掉。也许，人类祖先在进化过程中牺牲了磁光导航的本领，获得了更长的寿命。
曹操诗曰：对酒当歌，人生几何？生命奥秘的揭示，最终基于量子物理，包括电子自旋。
注一：氧分子从三态到单态之间的能量其实很小，但是由于自旋限制，三态氧单是吸收光子能量也无法造成跃迁。在实验室里产生单态氧一般要通过间接反应，先用光子把一种染料分子激发到高能量，燃料分子再将能量传给氧气分子，实现从三态到单态的小步跳跃。所以，这些染料如果进入体内有相当的毒性。
https://blog.sciencenet.cn/blog-684007-996492.html
上一篇：国内物理系在学什么？（北大为例）
下一篇：第六感蛋白 MagR 遭到物理质疑
