《量子力学》课程教学资源（文献资料）状态变化_龙虾变色与量子定态

龙虾煮熟了就变红 “就像龙虾被煮熟，清晨/开始从黑色变成红色”，17世纪的赛缪尔·巴特勒在 他的讽刺诗《胡迪布拉斯》里写道。但是直到今天之前，没人确切知道为什么龙虾 被煮熟后会变颜色。 组荷兰科学家提供了答案。他们说，这种显著的颜色变化有一个植根于量子 理论的精细解释。 化学家知道龙虾的颜色是由于一种叫做虾青素的颜料分子。它附着在甲壳蛋白 上。虾青素是一种类胡萝卜素颜料，是许多动植物表现出明亮的红色的原因，包括 桔子、西红柿和一些鸟类的羽毛。 当龙虾被煮熟之后，它的甲壳蛋白因为热而伸展开，附着在上面的虾青素脱落。 这种“自由”的虾青素是红色的，正如绝大多数类胡萝卜素的颜色。这就让龙虾带 上了那种新鲜烹调的（红）颜色。但是化学家对于活龙虾的蓝黑色感到困惑。 荷兰莱顿大学的Francesco Buda和他的同事最近弄清了当虾青素被嵌入甲壳蛋白 之后，它到底发生了什么事。他们在《美国化学会杂志》上报告了他们的研究结果

龙虾煮熟了就变红 “就像龙虾被煮熟，清晨/开始从黑色变成红色” ， 17世纪的赛缪尔•巴特勒在 他的讽刺诗《胡迪布拉斯》里写道。但是直到今天之前，没人确切知道为什么龙虾 被煮熟后会变颜色。 一组荷兰科学家提供了答案。他们说，这种显著的颜色变化有一个植根于量子 理论的精细解释。 化学家知道龙虾的颜色是由于一种叫做虾青素的颜料分子。它附着在甲壳蛋白 上。虾青素是一种类胡萝卜素颜料，是许多动植物表现出明亮的红色的原因，包括 桔子、西红柿和一些鸟类的羽毛。 当龙虾被煮熟之后，它的甲壳蛋白因为热而伸展开，附着在上面的虾青素脱落。 这种“自由”的虾青素是红色的，正如绝大多数类胡萝卜素的颜色。这就让龙虾带 上了那种新鲜烹调的（红）颜色。但是化学家对于活龙虾的蓝黑色感到困惑。 荷兰莱顿大学的Francesco Buda和他的同事最近弄清了当虾青素被嵌入甲壳蛋白 之后，它到底发生了什么事。他们在《美国化学会杂志》上报告了他们的研究结果

红移 红色颜料吸收蓝色和绿色的光，反射光谱中的红色部分。当虾青素与甲壳蛋白 结合的时候，它的吸收范围扩展到了光谱中波长更长（更红）的部分。这就意味着 它吸收所有的可见光，因此这种颜料就变成了黑色。 我们眼睛里的视锥细胞也有类似的过程。在这些细胞中，一个（视网膜的）颜 料分子被蛋白质外套“调解”成可以吸收不同波长的光。 有一个理论已经被科学家讨论了很多年：甲壳蛋白分子的骨架扭曲了虾青素， 让其吸收范围跨过了整个可见光谱。这正如通过截短或加长钢琴线，从而改变它的 共振频率。 但是Buda和他的同事已经计算出了虾青素的量子能态。结果表明，仅仅是改变 虾青素的形状，只能引起1/3的吸收波长范围的移动。形状的改变不能让这种颜料从 红色变成黑色。 另一个理论是，虾青素在（甲壳）蛋白内带上了电荷。但是荷兰的科学家通过 使用一种叫做核磁共振频谱的技术，排除了这种可能性。 暗干涉 2002年，科学家发现在甲壳蛋白中的虾青素分子成对结合，它们相互穿越，形 成了X型。荷兰的这组科学家在此基础上进行了研究。他们的计算结果表明，这种 虾青素分子的配对意味着两个分子相互干涉，就像相邻电线的电信号串扰。这改变 了它们的量子能态，从而改变了它们能吸收的光的波长，这可以解释大部分的吸收 波长范围的移动。 “花了这么长时间才解决这个问题，这真让人吃惊，”Buda说。但是他承认。 只是在最近5到10年中，计算机才能够处理那些棘手的量子力学计算问题

红移 红色颜料吸收蓝色和绿色的光，反射光谱中的红色部分。当虾青素与甲壳蛋白 结合的时候，它的吸收范围扩展到了光谱中波长更长（更红）的部分。这就意味着 它吸收所有的可见光，因此这种颜料就变成了黑色。 我们眼睛里的视锥细胞也有类似的过程。在这些细胞中，一个（视网膜的）颜 料分子被蛋白质外套“调解”成可以吸收不同波长的光。 有一个理论已经被科学家讨论了很多年：甲壳蛋白分子的骨架扭曲了虾青素， 让其吸收范围跨过了整个可见光谱。这正如通过截短或加长钢琴线，从而改变它的 共振频率。 但是Buda和他的同事已经计算出了虾青素的量子能态。结果表明，仅仅是改变 虾青素的形状，只能引起1/3的吸收波长范围的移动。形状的改变不能让这种颜料从 红色变成黑色。 另一个理论是，虾青素在（甲壳）蛋白内带上了电荷。但是荷兰的科学家通过 使用一种叫做核磁共振频谱的技术，排除了这种可能性。 暗干涉 2002年，科学家发现在甲壳蛋白中的虾青素分子成对结合，它们相互穿越，形 成了X型。荷兰的这组科学家在此基础上进行了研究。他们的计算结果表明，这种 虾青素分子的配对意味着两个分子相互干涉，就像相邻电线的电信号串扰。这改变 了它们的量子能态，从而改变了它们能吸收的光的波长，这可以解释大部分的吸收 波长范围的移动。 “花了这么长时间才解决这个问题，这真让人吃惊， ”Buda说。但是他承认。 只是在最近5到10年中，计算机才能够处理那些棘手的量子力学计算问题