Читать книгу Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джим Аль-Халили - Страница 6

Так какое же отношение имеет вся эта квантовая таинственность к долгому перелету малиновки через всю Европу и ее способности легко ориентироваться в пространстве и запоминать путь? Напомню, что в начале 1970-х годов супруги-ученые Вильчко установили: механизм магниторецепции у малиновки напоминает принцип работы иклинометра. В то время это открытие оставалось удивительной загадкой, ведь никто из ученых не мог предположить, каким образом может работать биологический компас отклонения. Однако приблизительно в те же годы немецкий ученый Клаус Шультен заинтересовался тем, как происходит перемещение электронов в химических реакциях, в которых участвуют свободные радикалы. Свободными радикалами называются молекулы, имеющие неспаренные электроны во внешней электронной оболочке (большинство электронов в молекулах спарены на атомных орбиталях). Об этом важно помнить, рассуждая о таинственном квантовом свойстве спина, ведь спаренные электроны обычно имеют различные (противоположные) спины и их суммарный спин равен нулю. Однако, не имея электрона-близнеца, обнуляющего момент импульса, неспаренные электроны в свободных радикалах имеют спин, наделяющий их свойством парамагнетизма: их спин может изменяться под воздействием магнитного поля.

Шультен предположил, что в парах свободных радикалов, образующихся в процессе быстрой триплетной реакции, неспаренные электроны находятся в состоянии квантовой запутанности. По малопонятным причинам, которые прояснятся позже, два неспареных электрона, находящиеся в таком необычном квантовом состоянии, становятся сверхчувствительными к воздействию любого внешнего магнитного поля. В дальнейшем Шультен высказал предположение о том, что функционирование загадочного птичьего компаса, возможно, также основано на явлении квантовой запутанности.

Мы не говорили о квантовой запутанности до этого момента, поскольку она представляет собой, вероятно, одну из самых странных особенностей квантовой механики. Она позволяет частицам, некогда находившимся во взаимодействии, сохранять постоянную, можно сказать, магическую взаимозависимость, даже если эти частицы разнесены в пространстве на огромные расстояния. Так, частицы, когда-то находившиеся рядом, а впоследствии разнесенные в разные концы Вселенной, могут (по крайней мере теоретически) сохранять связь между собой. Фактически воздействие на частицу будет моментально вызывать реакцию на это воздействие у удаленной частицы, связанной с первой[5]. Пионеры квантовой физики показали, что наличие такого явления, как запутанность, логически вытекало из их уравнений. Тем не менее оно казалось настолько неправдоподобным, что сам Эйнштейн, благодаря которому мы знаем о черных дырах и искривлении пространства-времени, отказался признать это явление, назвав его жутким дальнодействием. Именно это жуткое дальнодействие будоражит умы околонаучных «мистиков», которые идут на нелепые заявления о квантовой запутанности, в частности о том, что она способна объяснить такие паранормальные явления, как телепатия. Эйнштейн относился к этой идее скептически потому, что она противоречила его теории относительности, согласно которой никакое воздействие и никакой сигнал не могут передаваться в пространстве быстрее чем со скоростью света. По Эйнштейну, между частицами, находящимися друг от друга на большом расстоянии, не может быть никакой таинственной мгновенной связи. Эйнштейн ошибался. В наше время наличие такой связи между квантовыми частицами подтверждено эмпирически. На случай, если вы все-таки задумались над этим, скажем: квантовая запутанность никак не связана с телепатией и объясняет ее.

Идея о том, что странное квантовое свойство запутанности проявляется в обычных химических реакциях, считалась нелепой даже в начале 1970-х годов. В то время многие ученые, подобно Эйнштейну, ставили под сомнение факт существования запутанных частиц, поскольку они еще не были обнаружены экспериментальным путем. Но спустя несколько десятилетий многочисленные блестящие эксперименты подтвердили реальность этой «жуткой» связи между частицами. Один из самых известных таких экспериментов был выполнен в 1982 году командой французских физиков под руководством Алена Аспе в Университете Париж-Юг XI.

Команда Аспе получала пары фотонов (частиц света) со связанным состоянием поляризации. Поляризация света знакома тем, кто когда-нибудь носил поляроидные солнечные очки. Каждый фотон характеризуется величиной, сравнимой с направленностью – углом поляризации. Это понятие связано с понятием спина частицы, о котором мы говорили выше[6]. В потоке солнечного света попадаются фотоны со всеми возможными углами поляризации, однако поляроидные очки пропускают только фотоны с определенным углом поляризации. Аспе получал пары фотонов не только с различными поляризационными направлениями (скажем, один из них был направлен вверх, а другой – вниз), но и со связанным состоянием поляризации. Как и в случае описанной выше танцующей пары протона и нейтрона, ни один из связанных (запутанных) партнеров не имел какого-то определенного направления – они оба имели два направления одновременно, но только до тех пор, пока за ними велось экспериментальное наблюдение.

Эксперименты, пожалуй, один из самых загадочных и уж точно один из самых обсуждаемых аспектов квантовой механики. Именно после того, как стали возможны экспериментальные измерения микромира, у многих из нас возник вопрос: почему же все объекты, которые мы видим, не совершают тех таинственных, чудесных действий, на какие способны квантовые частицы? Ответ состоит в том, что там, в микроскопическом квантовом мире, частицы способны совершать такие странные действия – находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно, проходить сквозь стены и сохранять связь на таких расстояниях, которые и представить-то жутко, – только в том случае, когда за ними никто не наблюдает. Как только появляется наблюдатель, как только их начинают измерять каким-либо образом, они теряют свою странность и начинают вести себя как все видимые объекты, которые нас окружают. Тогда возникает очередной, вполне закономерный вопрос: что же такого особенного в наших экспериментах и наблюдениях? Что заставляет частицы менять квантовое поведение на классическое?[7] Ответ на этот вопрос является самым важным моментом данной книги, поскольку как раз экспериментальные измерения лежат на границе квантового и видимого миров, на той линии, за которой начинается микромир, за которой, по нашему мнению (и вы, должно быть, уже поняли это из названия книги), тоже есть жизнь.

Мы будем говорить о квантовых измерениях на протяжении всей книги и надеемся, что вам постепенно станут понятны все тонкости этого таинственного процесса. Сейчас мы остановимся на самом простом объяснении этого явления. Скажем только, что, когда квантовое свойство частицы, например состояние поляризации, измеряется научными приборами, частица в тот же миг будто бы вынужденно забывает о своих квантовых способностях (например, о способности двигаться одновременно во многих направлениях) и вынужденно же приобретает свойства объекта, описываемого классической механикой (например, способность двигаться лишь в одном направлении). Так, когда Аспе измерял состояние поляризации одной из запутанных частиц, наблюдая за тем, сможет ли она пройти сквозь поляризованную линзу, она немедленно теряла мистическую связь с другой частицей и сохраняла единственное направление поляризации. Точно таким же образом ведет себя вторая частица, на каком бы расстоянии она ни находилась, – во всяком случае, такой результат предсказывали уравнения квантовой механики, что, разумеется, заставляло Эйнштейна изрядно волноваться.

Аспе и его команда проводили свой знаменитый эксперимент с парами фотонов, разнесенных друг от друга на несколько метров в пределах лаборатории ученого. Это расстояние было достаточно велико для того, чтобы некое взаимодействие, пусть даже распространяющееся со скоростью света (а согласно теории относительности ничто не может распространяться быстрее скорости света), произошло между ними и повлияло на угол поляризации. И все же в измерениях запутанных фотонов наблюдалась корреляция: если поляризация одной частицы была направлена вверх, то поляризация другой оказывалась направленной вниз. С 1982 года данный эксперимент повторялся много раз, в том числе на частицах, разнесенных в пространстве на сотни километров, но и в этом случае между ними сохранялась мистическая связь, существование которой никак не мог признать Эйнштейн.

До эксперимента Аспе оставалось несколько лет, когда Шультен предположил, что явление квантовой запутанности лежит в основе работы внутреннего птичьего компаса, но существование данного явления оставалось под сомнением. Кроме того, Шультен не имел понятия, каким образом таинственная химическая реакция позволяла малиновке видеть магнитное поле Земли. Мы говорим «видеть», имея в виду еще одну особенность, открытую супругами Вильчко. Несмотря на то что европейская малиновка совершает длительные перелеты в ночное время, для активации магнитного компаса ей требуется небольшое количество света (из синей линии видимого спектра). Это говорит о том, что глаза птицы играют важную роль в работе ее внутреннего механизма магниторецепции. Но что же в ее глазах, кроме зрения, могло быть связано с восприятием изменений магнитного поля? Даже если в них и был встроен механизм, использующий запутанные радикальные пары, принцип его работы оставался загадкой.

Гипотеза о том, что птичий магнитный компас работает на основе квантового механизма, пылилась на научном чердаке идей более 20 лет. Шультен вернулся в США, где возглавил весьма успешную исследовательскую группу специалистов-теоретиков в области химической физики (Иллинойский университет в Урбана-Шампейне). Тем не менее он не забывал о своей, можно сказать, бредовой идее и постоянно переписывал статьи на эту тему, предлагая очередные биомолекулы (молекулы, синтезирующиеся живыми организмами) на роль поставщиков радикальных пар для быстрой триплетной реакции. Ни одна молекула так и не подошла на эту роль: одни не образовывали радикальных пар, другие просто отсутствовали в глазах птиц. Однако в 1998 году в одном из научных журналов Шультен прочитал о том, что в глазах животных был обнаружен криптохром – загадочный рецептор света. Эта информация немедленно заставила ученого вернуться к своему давнему научному интересу, поскольку известно, что криптохром – это белок, который теоретически может продуцировать радикальные пары.

Недавно в команду Шультена пришел работать талантливый аспирант Торстен Ритц. Еще будучи студентом Франкфуртского университета, Ритц посещал лекции Шультена. На одной из них он услышал о птичьем магнитном компасе и очень заинтересовался этой гипотезой. После окончания университета он не упустил возможность писать диссертацию на получение докторской степени именно в лаборатории Шультена. Сначала его работа была связана с фотосинтезом. Когда началась вся эта история с криптохромом, Ритц переключился на исследования магниторецепции. В 2000 году он в соавторстве с Шультеном написал статью под названием «Модель магниторецепции птиц, основанной на фоторецепторе», в которой описывалось, каким образом криптохром может снабдить глаз птицы квантовым компасом (более подробно мы рассмотрим этот вопрос в главе 6). Четыре года спустя Ритц совместно с супругами Вильчко провел исследование с участием европейских малиновок, в ходе которого были получены первые доказательства использования птицами механизма квантовой запутанности в целях успешной навигации. Казалось, Шультен был прав с самого начала. Их статья 2004 года, опубликованная в авторитетнейшем журнале Nature (издается в Великобритании), вызвала огромный интерес ученых всего мира, а птичий квантовый компас стал символом новой научной дисциплины – квантовой биологии (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Участники симпозиума по квантовой биологии (Суррей, 2012), слева направо: авторы данной книги Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден; Влатко Ведрал, Грег Энгель, Найджел Скраттон, Торстен Ритц, Пол Дэвис, Дженнифер Брукс и Грег Скоулз