生物学は量子ではないかもしれないが、その数学は量子様である

ホーム 生物学は量子ではないかもしれないが、その数学は量子様である コメント 記事を保存 後で読む 共有 Facebook コピーしました！ リンクをコピー Email Pocket Reddit Ycombinator コメント コメント 記事を保存 後で読む 後で読む 量子物理学 生物学は量子ではないかもしれないが、その数学は量子様である Elise Cutts 著 2026年9月23日 科学者たちは、生物学と量子力学を結びつけようと試みては失敗してきた歴史がある。それらの真のつながりは、数学にあるのかもしれない。 コメント 記事を保存 後で読む 自然界の隠されたパターンを明らかにすることは、バルセロナ出身のアーティスト、Xavi Bouの作品における繰り返しテーマである。 Xavi Bou 20年前、科学者たちは生物学を新しい量子的な方法で理解する寸前であるかのように見えた。生命は、地球全体を包む生物圏から、個々の細胞を構築する生体分子まで、理解不能なほど広範なスケールで展開する。しかし、最も微視的なレベルであっても、生物学は粒子が波のように振る舞い、互いに絡み合い、複数の状態の重ね合わせに存在する量子領域にまでは達しない。しかし、量子生物学の分野の科学者たちは、生物がその奇妙な特性を利用するために、量子性を生命に関連する空間、時間、温度の領域に押し込む方法を探している。例えば、光合成では、生物は特殊な色素とタンパク質を使用して、ほぼ完璧な量子効率で光を収穫する。つまり、ほとんどすべての入射光子を有用な化学エネルギーに変換する。2007年、生命がコヒーレンスと呼ばれる量子効果を利用してこの偉業を達成する可能性があることを示唆する新たな証拠が登場した。この結果は、生命が温かく湿った、明らかに古典的な環境であるにもかかわらず、壊れやすい量子状態を維持し、さらには利用できるという論争のある考えを後押しした。プリンストン大学の化学者であるGregory Scholesは、当初その結果に熱狂した。彼と共同研究者たちは、光合成を行うタンパク質と色素の実験を行い、同様の結論に至った。しかし今日、Scholesは量子効果が生命において役割を果たしていることに懐疑的である。実際、彼は量子生物学の進むべき道は、まったく量子的ではないかもしれないと確信している。Scholesは、真の量子効果を利用するのではなく、生命はそれらを模倣しているだけかもしれないと提案している。過去3年間に発表されたいくつかの論文で、Scholesと同僚たちは、古典的な物体の複雑なネットワークが、量子物体に関する現象を数学的に模倣する現象を生み出すことができることを示してきた。誤解しないでほしい：これらのネットワークが生み出す状態は、真に量子的なものではない。それらは単に「量子様」である。それらは、多くの相互作用する振動する部分が、量子世界に関する予測を行う数学と同じ数学に従う集合体全体を構成するときに生じる。「おそらく、量子生物学は、最大のスケールでは、35億年の進化を利用して、量子システムから得られる機能性をどのように獲得できるかを理解することだ」とScholesは述べた。量子力学の基礎研究者たちは、数十年にわたり、量子世界の一部の側面を古典的に再現する方法を探求してきたと、ウィーンの量子光学・量子情報研究所の物理学者であるMarkus Müllerは述べている。Müllerによれば、Scholesが行ったのは、自然界に豊富に存在する、比較的平凡な複雑なネットワークから量子様挙動がどのように現れるかを示したことだ。「古典システムは、量子情報のいくつかの重要な特徴を模倣できる」と、ノースカロライナ州立大学で複雑なシステムのための量子コンピューティングアルゴリズムを開発している量子化学者Sabre Kaisは述べている。「これはエキサイティングな新しい方向性だ。」量子生物学の限界生命の謎を量子の性質として再解釈する誘惑は、量子力学そのものと同じくらい古い。1929年の講演で、量子力学のパイオニアであるNiels Bohrは、当時数学的な基盤を見つけ始めていた量子力学が、「特に生命体の世界観における位置の議論において、決定的に重要であるかもしれない」という曖昧だが魅力的な発言をした。Bohrの同時代のPascual Jordanは、量子生物学（Quantenbiologie）について数十年間にわたり執筆し、生命は量子世界の奇妙な不確定性を巨視的なスケールに増幅するユニークな能力を持っており、これを人間の思考と自由意志の基礎であると主張した。遺伝学者であり進化生物学者でもあるJ.B.S. Haldaneは、1934年の論文で、量子不確定性をスケールアップする能力が生命を特別なものにしていると主張して、Jordanの意見を echo した。（1933年にナチス党とその準軍事組織に参加したJordanは、量子生物学をナチズムと結びつけようとしたことで、その信頼性を損なった。）量子生物学のこれらの初期の提唱者は、量子スケールの直感に反する物理法則において、古典スケールでの生命の不可解な性質の説明を求めた。古典粒子は一度に一つの場所、一つの方法でしか存在できない。量子粒子は、潜在的に存在するすべての場所と方法にわたって広がっており、可能性の波のような状態にある。この広がりは、古典的な波と同様にピークと谷を持つ波動関数によって数学的に記述される。粒子が観測されるまで、そのすべての可能な構成は事実上同時に存在する。それらは、水や音の重なり合う波のように、重ね合わせで積み重ねられている。そして、重なり合う波のように、積み重ねられた量子状態は加算され、互いに打ち消し合い、あるいは互いに変換し合う。重ね合わせ状態の量子状態が互いにこのように影響し合うのに十分な整然とした波の性質を持つとき、それらはコヒーレントと呼ばれる。コヒーレントな量子システムは互いに絡み合うこともでき、事実上、共有された波動関数を持つ単一の統合された実体に融合する。量子状態は繊細なものであり、外部世界とのわずかな接触でも容易に破壊される。原子の熱による振動のような、ごくわずかな環境ノイズでさえ、デコヒーレンス、つまり古典的な挙動への崩壊を引き起こす可能性がある。（量子コンピュータが超低温に冷却されるのは、単なる楽しみのためではない。）そして、細胞の内部では、デコヒーレンスは基本的に瞬時に起こるはずである。量子性は、生物学に関係するのに十分なほど長くは存続しないはずである。細胞内であっても、水素原子のような非常に非常に小さな粒子は「量子トンネル」を起こし、そうでなければそれらを遅くしたり通過を防いだりするエネルギー障壁を飛び越えることがある。そして、特定の酵素におけるトンネル現象が、その速い反応速度を説明する可能性があるという証拠がある。しかし、Scholesによれば、それは量子生物学者が本当に求めているものではない。この種のトンネル現象には、長期間持続するコヒーレンスは関与していない。関与する量子性はシンプルで、一時的で、ある種避けられない。死んだ化学物質のフラスコでさえ、いくつかの小さな粒子はエネルギー障壁をトンネルするだろう。問題は、生命が死んだ化学物質にはできないことをできるかどうか、つまり、コヒーレンス自体をリソースとして使用するために、十分な期間、量子状態をコヒーレントに保つことができるかどうかである。光合成の落胆科学者たちは、1930年代初頭から、量子コヒーレンスが光合成の驚異的な効率を説明できるのではないかという考えを弄んでいた。光合成生物は、光を吸収するために、光合成複合体と呼ばれる色素とタンパク質の配列を使用する。光子がこれらの複合体の1つに当たると、その電磁エネルギーが吸収され、複合体内の電子が励起状態にブーストされる。この準粒子（励起子と呼ばれる）は、光合成の重要なステップを実行できる化学エネルギーに変換される反応中心に向かう。Xavi Bouこのプロセスはほぼ100％効率的である。つまり、吸収されたほとんどすべての光子が光合成を促進する。科学者たちは、励起子が光合成複合体内の複数の分子にわたって量子コヒーレンスを維持していれば、それらは無作為に飛び回って迷子になる可能性のある経路ではなく、複数の経路を同時に探求できると考えていた。in