1. Введение
В этом году морозы в Европу пришли рано, вечерний воздух скован пронизывающим холодом. Дремлющие где-то в глубине сознания, пробуждаются целеустремленность и решительность молодой малиновки.
На протяжении нескольких предшествующих недель птица ежедневно съедала гораздо больше насекомых, пауков, червяков и ягод, чем ей обычно требуется. Теперь она весит вдвое больше, чем в августе, когда ее птенцы покинули гнездо. Этот лишний вес в основном составляют жировые запасы, которые понадобятся ей для поддержания сил в предстоящем нелегком путешествии.
Ей впервые предстоит покинуть еловый лес в Центральной Швеции, где она прожила свою пока еще короткую жизнь и где еще несколько месяцев назад вырастила птенцов. К счастью для малиновки, прошлая зима была не такой суровой. Год назад она сама была птенцом и ей не хватило бы сил на столь длинный перелет. Но сейчас, когда родительские обязанности отложены до следующей весны, малиновке нужно думать только о себе и она готова лететь на юг от надвигающейся зимы в поисках более теплого климата.
Прошло несколько часов после захода солнца. Вместо того чтобы устроиться на ночь, птичка в надвигающихся сумерках садится на краешек одной из нижних веток огромного дерева, который служит ей домом с начала весны. Она отряхивается, напоминая при этом атлетку, которая разминает мышцы перед марафоном. Оранжевая грудка птички переливается в свете луны. Совсем рядом, спрятанное за стволом, покрытым мхом, находится ее гнездо. Когда-то она сама свила его невероятными усилиями и с невиданным усердием, но сейчас о них осталось лишь смутное воспоминание.
Не только наша малиновка готовится к перелету. Многие самцы и самки тоже решили, что эта ночь как никакая другая подходит для отправления в долгое путешествие на юг. С соседних деревьев доносится громкое, пронзительное щебетание, заглушающее привычные звуки обитателей леса, ведущих ночной образ жизни. Птицы словно объявляют во всеуслышание о своем отлете, но предупреждают остальных лесных пернатых, чтобы они хорошенько подумали, прежде чем занимать пустые гнезда малиновок во время их отсутствия. Ведь малиновки наверняка планируют вернуться сюда весной.
Малиновка резко поворачивает головку в одну сторону, потом в другую. Путь свободен, и она взмывает в вечернее небо. С приближением зимы ночи становятся длиннее, поэтому птичке придется лететь около десяти часов, прежде чем она позволит себе отдохнуть.
Она разворачивается на 195° и выбирает курс на 15° западнее прямого южного направления. В ближайшее время она будет придерживаться этого курса и в хороший день преодолеет более трехсот километров. Она не имеет ни малейшего понятия ни о том, что ожидает ее в этом долгом путешествии, ни о том, как долго оно продлится. Места, окружающие ее родной ельник, хорошо ей знакомы, но буквально через несколько миль начинается новый для нее пейзаж – озера, долины, города, залитые лунным светом.
Ее путешествие окончится на одном из побережий Средиземного моря. Малиновка вовсе не летит в какие-то определенные края, но, когда она найдет подходящее местечко, она остановится там на зиму и обязательно запомнит окрестности, чтобы из года в год возвращаться сюда. Если у нее хватит сил, она, возможно, долетит до берегов Северной Африки. Но пока это ее первый долгий перелет, и на данный момент ее основная цель – побыстрее улететь подальше от страшных морозов надвигающейся северной зимы.
Кажется, наша путешественница вовсе не замечает других малиновок, которые летят в том же направлении. Многие из этих птиц уже не раз проделывали этот долгий путь. Она прекрасно видит ночью, но сейчас ее не интересуют ни окружающие пейзажи (как интересовали бы нас с вами, если бы мы совершали подобное путешествие), ни узоры звезд на ясном ночном небе. Наша малиновка не прокладывает себе путь по звездам, как это делают многие другие птицы, путешествующие ночью. Миллионы лет эволюции подарили ей замечательный навык, благодаря которому она легко запомнит маршрут длиной три тысячи километров и станет преодолевать его каждый год.
В мире животных миграция – обычное явление. Так, например, каждую зиму в озерах Северной Европы мечут икру миллионы особей лосося. Через некоторое время, разорвав оболочку икринок, мальки отправляются по рекам в моря Северной Атлантики, где они растут и крепнут. Через три года молодые особи лосося возвращаются на нерест в те же реки, где сами появились на свет. Североамериканская бабочка данаида монарх каждую осень мигрирует на большие расстояния, пролетая над всей территорией Соединенных Штатов. По пути данаиды монарх размножаются, и новые поколения бабочек возвращаются на север, к тем же деревьям, где весной окукливались их родители. Зеленые черепахи раз в три года откладывают яйца на песчаных берегах острова Вознесения в Южной Атлантике. Ради того, чтобы их потомство появилось на свет на тех же пляжах, покрытых яичной скорлупой, где однажды родились они сами, черепахи преодолевают расстояние в несколько тысяч километров. Этот ряд можно продолжить: многие виды птиц, киты, северные олени, лангусты, лягушки, саламандры и даже пчелы способны на такие далекие путешествия, от которых захватило бы дух у самых великих первопроходцев из рода человеческого.
На протяжении многих столетий человека волновал вопрос о том, как животным удается ориентироваться на нашей большой планете. Сейчас нам известно, что в распоряжении братьев наших меньших есть множество надежных методов: одни существа днем ориентируются по солнцу, а ночью – по звездам, другие запоминают знаки на местности, третьи путешествуют по планете благодаря запахам. Пожалуй, самым загадочным способом ориентации в пространстве является магниторецепция – способность ориентироваться по направлению и силе действия магнитного поля Земли. Именно этой способностью может похвастаться любая малиновка. В настоящее время наличие магниторецепции обнаружено и у других видов, однако нас интересует именно европейская малиновка (Erithacusrubecula), использующая эти необычные штурманские навыки в своем долгом путешествии.
Механизм, благодаря которому наша птица точно знает, в каком направлении и как долго ей лететь, встроен в ДНК, унаследованную от родителей. Его можно назвать сложной и необычной способностью, своего рода шестым чувством, которым малиновка пользуется для выбора точного курса. Как и многие другие птицы, а также насекомые и обитатели морей, малиновка ощущает малейшие изменения магнитного поля Земли и обрабатывает эту информацию внутренним навигационным механизмом, который подразумевает наличие в организме своеобразного химического компаса.
Магниторецепция во многом остается загадкой. Проблема заключается в том, что магнитное поле Земли очень слабое. Его напряженность на поверхности планеты равна 30–70 микротесла: этой силы хватает на то, чтобы отклонить ровную и практически свободную от трения стрелку компаса, но это лишь сотая часть силы, которая могла бы притянуть обычный магнитик для холодильника. В этом и заключается загадка: если животные способны чувствовать магнитное поле, оно должно каким-то образом оказывать воздействие на одну из многочисленных химических реакций, протекающих в организме. В конце концов, именно так все живые существа, включая нас с вами, воспринимают любой внешний сигнал. Однако количество энергии взаимодействия магнитного поля Земли с молекулами внутри клетки составляет менее одной миллиардной количества энергии, необходимого для того, чтобы разрушить или создать химическую связь. Так каким же чудесным образом малиновка чувствует магнитное поле?
Загадка, даже самая простая, весьма пленительна, ведь всегда существует вероятность того, что ее разгадка может привести к существенному сдвигу в нашем понимании мира. В XVI веке размышления Коперника над одной из второстепенных нестыковок в геометрии Птолемеевой геоцентрической модели мира привели к тому, что человечество лишилось права считать свой мир центром тяжести всей Вселенной. Дарвин, например, одержимо интересовался географическим распределением видов на планете и много думал о том, почему виды вьюрков и пересмешников, изолированные на островах, так сильно отличаются от континентальных. Не в последнюю очередь именно эти размышления привели его к выдвижению теории эволюции. Немецкий физик Макс Планк, проливший свет на тайну теплового излучения и распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, пришел в ходе разгадки этой тайны к мысли о том, что энергия существует в форме дискретных порций, называемых квантами. Идея Планка легла в основу квантовой теории, совершившей переворот в физике в 1900 году. Так может ли ответ на вопрос о том, каким образом птицы ориентируются в пространстве, совершить революцию в биологии? Да, может (как бы смело это ни звучало).
Не следует забывать, что загадки такого рода собирают вокруг себя толпы псевдоученых и мистиков. Как заметил в одной из своих работ 1976 года профессор химии Оксфордского университета Питер Эткинс, «проблема влияния магнитного поля на химические реакции всегда притягивала внимание шарлатанов» [1]. Так, известно множество экзотических толкований механизма, которым пользуются для ориентации в пространстве мигрирующие птицы, – от телепатии и лей-линий (невидимых путей, которые соединяют различные места, представляющие археологический или географический интерес, и предположительно связаны с духовной энергией) до понятия «морфического резонанса», введенного Рупертом Шелдрейком, парапсихологом с сомнительной репутацией. Опасения Эткинса, высказанные им в 1970-е годы, вполне понятны. Они отражают скептицизм, присущий большинству ученых того времени, относительно предположений о том, что животные способны чувствовать магнитное поле земли. В то время просто невозможно было представить (по крайней мере, в рамках традиционной биохимии), что у живого организма может быть некий молекулярный механизм, позволяющий ощущать воздействие магнитного поля.
Однако в том же году, когда Питер Эткинс высказал свой скептицизм, супружеская пара франкфуртских орнитологов Вольфганг и Росвита Вильчко опубликовали в Science, одном из ведущих мировых научных журналов, сенсационную статью, в которой доказывалось, что малиновки действительно чувствуют магнитное поле [2]. Орнитологи обнаружили, что птицы реагируют на магнитное поле благодаря внутреннему механизму и принцип действия данного механизма коренным образом отличается от принципа работы обычного компаса. Компас различает северный и южный магнитные полюса, в то время как малиновка способна различать лишь полюс и экватор.
Чтобы понять, как работает подобный компас, следует обратиться к силовым линиям магнитного поля – невидимым линиям, определяющим направление действия магнитного поля. Именно вдоль этих линий отклоняется стрелка компаса, когда прибор помещен в любое место магнитного поля. Многие из нас наблюдали эти линии в узоре, складывающемся из железных опилок на бумажном листе, под который подкладывали магнитный брусок. А теперь представьте, что наша Земля – это гигантский магнит, из Южного полюса которого выходят силовые линии и, огибая Землю огромными петлями, входят в ее Северный полюс (рис. 1.1). В районе полюсов эти линии направлены почти строго вертикально вовнутрь или вовне, однако чем дальше от полюсов, тем больший изгиб они приобретают, проходя почти параллельно поверхности Земли в районе экватора. Компас, который измеряет угол магнитного наклонения между силовыми линиями поля и поверхностью Земли (мы будем называть его инклинометр), способен различать направление к полюсу и направление к экватору, однако он не отличает Северного полюса от Южного, поскольку на обоих полюсах угол между силовыми линиями поля и поверхностью Земли одинаков. В 1976 году супруги Вильчко установили, что механизм магниторецепции у малиновки работает так же, как инклинометр. Проблема заключалась в том, что никто не мог объяснить принцип действия подобного биологического инклинометра: в то время биологический механизм, позволяющий птице определять угол магнитного наклонения, был не только неизвестен, но и немыслим. Оказалось, что разгадка этой тайны кроется в одной из самых потрясающих научных теорий нашего времени и связана с одной из самых удивительных наук – квантовой механикой.
Рис. 1.1. Магнитное поле Земли
Тайный мир призраков
Если устроить опрос среди ученых и поинтересоваться у них, какая научная теория, по их мнению, является самой успешной, всеохватывающей и важной, ответ будет с большой вероятностью зависеть от того, задаете вы вопрос ученому-физику или биологу. Большинство биологов считают самой глубокой теорией, когда-либо выдвинутой ученым, дарвиновскую теорию эволюции путем естественного отбора. Физики же наверняка отдадут пальму первенства квантовой механике, во многом лежащей в основании физики и химии и открывающей перед нами удивительно полную картину строения Вселенной. Действительно, без объяснительной силы квантовой механики рушатся все наши современные представления о мире.
Каждый из нас хоть что-нибудь да слышал о квантовой механике. Более того, представления о том, что в этих сложнейших научных дебрях ориентируются только ничтожное количество очень умных людей, давно стали частью массовой культуры. На самом деле квантовая механика является неотъемлемой частью жизни каждого человека с самого начала XX века. В основе этой научной дисциплины лежит математическая теория, разработанная в середине 1920-х годов для объяснения процессов в мире ничтожно малых величин (так называемом микромире) – например, поведения атомов, из которых состоит все вокруг, а также свойств частиц гораздо меньших размеров. Так, описывая правила поведения электронов внутри атомов, квантовая механика становится фундаментом химии, материаловедения и даже электроники. Математические правила моделирования, разработанные в рамках квантовой механики (несмотря на ее странность и сухость), лежат в основе большинства научно-технических достижений последних 50 лет. Квантовая механика объясняет, как электроны движутся в различных материалах. Это дало человеку ключ к разгадке поведения полупроводников, на которых зиждется современная электроника. Без понимания поведения полупроводников мы не смогли бы создать кремниевый транзистор, а позднее – микрочип и современный компьютер. Список можно продолжить: без тех знаний, которые открыла нам квантовая механика, мы бы не имели лазера и, соответственно, CD и DVD и стандарта Blu-ray; без квантовой механики у нас не было бы смартфонов, спутниковой навигации и МРТ-сканеров. Более того, по оценкам специалистов, свыше одной третьей ВВП развитых стран мира связано с технологиями, которые были бы невозможны без понимания механики микромира.
И это только начало. Мы смело можем надеяться на квантовое будущее (и с большой вероятностью мы с вами его застанем), когда нам благодаря управляемой термоядерной реакции, индуцированной лазерами, будут доступны неограниченные объемы электроэнергии; когда искусственные молекулярные механизмы будут выполнять множество задач в сфере машиностроения, биохимии и медицины; когда квантовый компьютер станет носителем искусственного интеллекта; и наконец, когда телепортация, придуманная писателями-фантастами, станет привычным способом передачи информации. Квантовая революция, начавшаяся в XX веке, в XXI невероятно ускоряет темпы. Дух захватывает от того, насколько она изменит нашу с вами жизнь.
Так что же такое квантовая механика? Ответ на этот вопрос мы с вами будем искать на протяжении всей книги. Начнем, пожалуй, с некоторых примеров, интересных прежде всего новичкам, – примеров существования скрытой квантовой реальности, лежащей в основе нашей жизни.
Первый пример иллюстрирует одну из странных особенностей квантового мира и, возможно, его главную отличительную черту – корпускулярно-волновой дуализм. Всем нам известен тот факт, что мы сами и все, что нас окружает, состоим из множества крошечных дискретных частиц – атомов, электронов, протонов и нейтронов. Вы, возможно, знаете также, что энергия (например, свет или звук) проявляет скорее свойства волн, нежели частиц. Волны распространяются в направлении движения, а не рассеиваются. Они движутся в пространстве, как, скажем… морские волны (другое слово трудно подобрать) с их вершинами и подошвами. Квантовая механика берет свое начало с того момента, когда в самом начале XX века ученые открыли, что частицы способны проявлять свойства волн, а световые волны могут вести себя как частицы.
Разумеется, корпускулярно-волновой дуализм – не та вещь, о которой обычный человек станет задумываться каждый день. Тем не менее он является необходимой базой для создания многих приборов, в частности электронных микроскопов, благодаря которым врачи и ученые имеют возможность видеть, идентифицировать и исследовать объекты настолько малых размеров, что их нельзя наблюдать с помощью традиционных оптических микроскопов. К таким объектам относятся, например, вирусы, приводящие к развитию СПИДа или обычной простуды. Электронный микроскоп был создан благодаря открытию свойств волны у электронов. Немецкие ученые Макс Кнолль и Эрнст Руска пришли к мысли о том, что, поскольку длина волны (расстояние между ближайшими вершинами или подошвами) электрона намного короче, чем длина видимой световой волны, микроскоп, основанный на электронном изображении, должен обладать гораздо большей разрешающей способностью по сравнению с оптическим микроскопом. Это возможно благодаря тому, что любые крошечные объекты, размеры которых не превышают размеров волны, попадающей на них, никак не влияют на нее. Представьте океанские волны, длина которых достигает нескольких метров, обрушивающиеся на прибрежную гальку. Изучая эти волны, вы мало что узнаете о форме и размере отдельных камушков, омываемых ими. Для этого вам понадобятся волны гораздо меньших размеров, как, например, те, что образуются в волновом лотке, или те, которые демонстрируют школьникам учителя физики, чтобы дети «разглядели» камушек в тот момент, когда волна отскакивает от него или огибает. Итак. В 1931 году Кнолль и Руска создали первый в мире электронный микроскоп и с помощью нового прибора получили первые в мире изображения вирусов. За изобретение электронного микроскопа Эрнст Руска был удостоен Нобелевской премии по физике. Однако произошло это с большим запозданием – лишь в 1986 году (за два года до смерти ученого).
Наш второй пример, возможно, еще более фундаментален и масштабен. Почему светит солнце? Большинство людей, скорее всего, имеют представление о том, что Солнце фактически является термоядерным реактором, в котором сжигается газообразный водород и выделяется тепло и свет, поддерживающие жизнь на Земле. Однако немногие знают, что Солнце не могло бы светить, если бы не одно замечательное квантовое свойство, позволяющее частицам «проходить сквозь стены». Солнце (и все остальные звезды во Вселенной) излучает огромные объемы энергии потому, что ядра атомов водорода, каждое из которых содержит единственную положительно заряженную частицу – протон, способны сливаться. В результате такого слияния выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, которое мы называем солнечным светом. Два ядра водорода должны оказаться на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы слиться воедино. Однако чем ближе они друг к другу, тем мощнее сила отталкивания между ними, ведь каждый из них несет положительный заряд, а одинаковые заряды отталкиваются. Для того чтобы приблизиться друг к другу на расстояние, необходимое для слияния, частицы должны преодолеть внутриатомный аналог кирпичной стены – на первый взгляд, абсолютно непроницаемый энергетический барьер. Классическая физика[1], основанная на ньютоновских законах движения, механики и притяжения, достаточно точно описывающих мир шариков, пружин, паровых двигателей (и даже планет), предсказывала, что подобное преодоление невозможно. Частицы не могут проникать сквозь стены, а следовательно, солнце не должно светить.
Тем не менее частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики (например, атомные ядра), прячут, так скажем, козырь в рукаве: они легко могут преодолевать потенциальный барьер. Этот процесс в физике называют туннельным эффектом или туннелированием. Важно отметить, что именно корпускулярно-волновая двойственность частиц позволяет им совершать туннелирование. Волны могут обтекать объекты, например прибрежные камни, но они также способны проходить сквозь них. Так, звуковые волны проходят сквозь ваши стены, когда вы слышите, как работает телевизор соседа. Разумеется, воздух, в котором распространяется звуковая волна, сам не проходит сквозь стену. Колебания в воздухе – звук – заставляют стену вибрировать и проталкивать воздух, в котором распространяется волна, в вашу комнату. Таким путем звук достигает вашего уха. А если бы вы сами обладали свойствами атомного ядра, то время от времени могли бы проходить – совсем как призрак – сквозь достаточно толстые стены[2]. Как раз это успешно удается совершить внутри Солнца ядру атома водорода: оно может разогнаться и «просочиться» сквозь энергетический барьер, словно привидение, сблизиться с таким же ядром по другую сторону невидимой стены и слиться с ним. Когда вы в следующий раз будете нежиться на солнечном пляже и смотреть, как волны накатывают на берег, вспомните о волнообразном движении квантовых частиц-призраков, которые не только позволяют вам наслаждаться солнечным светом, но и поддерживают жизнь на всей нашей планете.
Третий пример связан с двумя предыдущими. Он иллюстрирует еще одну, более странную, особенность квантового мира – явление, получившее название «принцип суперпозиции». Данный принцип заключается в том, что частицы способны выполнять два (а то и сто, и миллион) действия одновременно. Именно это свойство частиц обусловливает сложность и богатейшее многообразие нашей с вами Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, в результате которого и образовалась наша Вселенная, получившееся космическое пространство было заполнено атомами единственного элемента – простейшего по своей структуре водорода, состоящего из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. Такое пространство являло собой довольно унылое зрелище: ни о звездах, ни о планетах, ни тем более о каких-либо живых организмах не могло быть и речи, ведь все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из более прочных «кирпичиков», более тяжелых элементов, нежели водород, – например, углерода, кислорода и железа. К счастью для нас с вами, эти более тяжелые элементы образовались внутри звезд, первоначально состоящих из водорода. Существование же первоэлемента звезд – изотопа водорода под названием «дейтерий» – возможно только благодаря своего рода квантовому волшебству.
Как же возникает дейтерий внутри Солнца? Первый шаг мы только что описали: два ядра атомов водорода, а точнее, два протона плотно приближаются друг к другу в результате туннелирования. При этом выделяется энергия, которая превращается в солнечный свет, согревающий нашу планету. Следующий шаг – объединение двух протонов. Оно не происходит в одно мгновение вовсе не потому, что при взаимодействии частиц не возникает достаточной для их слияния силы. Все атомные ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Если ядро содержит слишком много частиц того или другого типа, законы квантовой механики обязывают его выравнять баланс. Тогда лишние частицы принимают новую форму: протоны становятся нейтронами или нейтроны – протонами в результате процесса, получившего название «бета-распад». Вот что происходит при столкновении двух протонов: поскольку существование ядра, состоящего только из двух протонов, невозможно, один из них превращается в нейтрон. Оставшийся протон и образовавшийся нейтрон могут слиться в новый объект – дейтрон (ядро изотопа тяжелого водорода[3] – дейтерия). В дальнейшем ядерные реакции могут привести к формированию сложных ядер новых элементов, более тяжелых, чем водород: от гелия (ядро которого содержит два протона и один либо два нейтрона) до углерода, азота, кислорода и других.
Ключевой момент состоит в том, что дейтрон обязан своим существованием собственной способности пребывать одновременно в двух состояниях (в силу квантовой суперпозиции). Эта способность, в свою очередь, обусловлена тем, что протон и нейтрон могут объединяться двумя различными способами в зависимости от векторов спинов. Позже мы поговорим о том, что понятие спина связано с вращательным состоянием частицы, которое имеет квантовую природу и не может трактоваться как вращение объекта, например теннисного мячика, в терминах классической механики. Однако пока обратимся к обыденным, интуитивным представлениям о вращающейся частице. Вообразите, что внутри дейтрона протон и нейтрон исполняют совместный танец, поставленный блестящим хореографом, при этом одна частица движется в ритме медленного задушевного вальса, а другая танцует зажигательный джайв. Еще в 1930-е годы ученые открыли, что в ядре дейтерия две частицы исполняют вместе не какой-то один из этих танцев, а оба одновременно. Их в одно и то же время влечет ритм вальса и джайва, и именно это позволяет им составлять одно целое[4].
Естественной реакцией на такое утверждение является вопрос: «Откуда нам знать?» Безусловно, атомные ядра слишком малы, чтобы их увидеть, так не будет ли разумнее предположить, что в нашем понимании ядерных сил есть большие пробелы? Нет, не будет. В научных лабораториях из года в год снова и снова подтверждается, что, если бы протон и нейтрон исполняли вместе только квантовый вальс или квантовый джайв, ядерные связи между ними не были бы достаточно прочными, чтобы объединить их в пару. Только когда эти два состояния накладываются друг на друга (словно две реальности, существующие одновременно), возникает достаточно мощная связывающая сила. Давайте сравним подобное наложение реальностей друг на друга со смешиванием красок, например синей и желтой, в результате чего получается новый цвет – зеленый. Хотя вам известно, что зеленый получается из двух первичных цветов-компонентов, он не является ни одним, ни вторым. При смешивании синего и желтого в разных пропорциях мы получим различные оттенки зеленого. Подобным образом дейтрон образуется в том случае, когда протон и нейтрон увлечены классическим вальсом, в который вкраплены лишь некоторые элементы джайва.
Итак, если бы частицы не умели танцевать джайв и вальс, наша Вселенная так и осталась бы бульоном из газообразного водорода и ничем более. Не было бы сияющих звезд, не сформировались бы никакие другие химические элементы, и вы сейчас не читали бы эти строки. Мы существуем благодаря способности протонов и нейтронов к такому парадоксальному квантовому поведению.
Последний пример снова возвращает нас в мир технологий. Знание законов квантового мира можно использовать не только для того, чтобы разглядеть крошечные объекты вроде вирусов, но и для того, чтобы заглянуть внутрь самих себя. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод исследования мягких тканей, позволяющий получать поразительно четкие изображения. МРТ-сканирование регулярно используется для подтверждения диагнозов и для обнаружения опухолей внутренних органов. В нетехнических описаниях МРТ, как правило, не упоминается тот факт, что этот метод основан на таинственных законах, действующих в квантовом мире. В МР-томографе используются мощнейшие магниты, способные изменять магнитный момент (спин) протона в ядре атомов водорода, находящихся в организме человека. Затем на ядра, протоны которых поменяли параметры спинов, воздействуют радиочастотным импульсом, что приводит к тому самому странному квантовому состоянию, когда частицы внутри ядра существуют одновременно в двух противоположных фазах. Бесполезно пытаться представить себе, как это выглядит, поскольку это невообразимо отличается от нашего повседневного опыта! Важно то, что, когда атомные ядра возвращаются в исходное положение (положение, в котором они пребывали до состояния квантовой суперпозиции, обусловленного воздействием магнитного поля), выделяется энергия, которую регистрирует электронная система сбора данных МР-томографа. Именно благодаря этой энергии мы получаем невероятно точные изображения внутренних органов пациента.
Если вы когда-нибудь окажетесь внутри МР-томографа, слушая приятную музыку через наушники, подумайте о парадоксальном квантовом поведении частиц, благодаря которому работает это удивительное диагностическое устройство.
Квантовая биология
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
Если квантовая механика – обычное дело, к чему такая шумиха вокруг квантовой биологии?
Итак, вы уже знаете, что квантовое туннелирование и квантовая суперпозиция – явления, которые происходят как внутри Солнца, так и в технических устройствах, например в электронном микроскопе или МР-томографе. Так что же удивительного в том, что квантовые явления могут происходить и в биологии? Биология, если уж на то пошло, представляет своего рода прикладную химию, а химию можно считать разновидностью прикладной физики. А если докапываться до глубин и основ, не является ли все вокруг, включая нас с вами и всех живых существ, сплошной физикой? На этот аргумент ссылаются многие ученые, считающие, что квантовую механику необходимо внедрять в биологию на очень глубоком уровне. При этом они настаивают, что ее роль в биологии ничтожно мала. Под этим они подразумевают следующее: поскольку законы квантовой механики управляют поведением атомов, а биология в конечном счете и есть не что иное, как взаимодействие атомов, то они же – законы квантового мира – должны действовать и на нижележащих уровнях организации жизни, изучаемых биологией. Однако эти законы действуют лишь в тех пределах, в которых они не оказывают значительного влияния на процессы жизнедеятельности, характерные для более высоких уровней организации жизни.
Разумеется, эти ученые правы лишь отчасти. Биомолекулы (например, молекулы ДНК или ферментов) состоят из таких элементарных частиц, как протоны и электроны, взаимодействие которых регулируется законами квантовой механики. Но, с другой стороны, из тех же частиц состоит и книга, которую вы читаете, и стул, на котором вы сидите. Наконец, и то, как вы ходите, говорите, едите или спите, зависит от тех же квантовых сил, которые управляют поведением электронов, протонов и других частиц, не говоря уже о том, что от квантовой механики напрямую зависит функционирование вашей машины или тостера. По большому счету, вам не обязательно знать обо всем этом. Автомеханики не должны посещать лекции и сдавать экзамен по квантовой механике, а в большинстве университетских курсов по биологии не упоминаются ни туннельный эффект, ни квантовая запутанность, ни суперпозиция. Люди прекрасно живут, ничего не зная о том, что в квантовом мире действуют законы, кардинально отличающиеся от привычных законов окружающего нас мира. Те квантовые странности, которыми наполнен микромир, никак не отражаются на функционировании машин или тостеров – видимых предметов, которыми мы пользуемся каждый день.
Почему не отражаются? Да, футбольные мячи не летают сквозь стены, между людьми не существует мистических связей на расстоянии (если не считать выдумки о телепатии) и, к большому сожалению, вы не можете одновременно находиться и в офисе, и дома. Но ведь элементарные частицы, находящиеся внутри футбольного мяча или человека, могут творить все эти чудеса. Почему же существует рубеж, непереходимая граница между видимым миром и тем миром, который, согласно утверждениям физиков, кроется за пределами видимого? Это одна из самых глубоких проблем в современной физике, и связана она с явлением квантовых измерений, о которых мы говорили выше. Когда квантовая система взаимодействует с измерительным прибором (например, с поляризованной линзой, как в эксперименте Аспе), она теряет чудесные квантовые свойства и начинает вести себя как объект классической механики. Но измерения, проводимые физиками, не могут обусловливать проявления видимого, окружающего нас мира больших объектов. Что же тогда заставляет объекты отказываться от квантового поведения за пределами физической лаборатории?
Ответ на этот вопрос связан с тем, как организованы частицы в атомах и как они движутся внутри больших (макроскопических) объектов. Внутри твердых тел атомы и молекулы обычно распределены беспорядочно и совершают неравномерные колебания около собственных состояний равновесия; внутри жидкости или газа атомы и молекулы постоянно находятся в состоянии беспорядочного движения. Эти факторы – беспорядочное распределение, колебание и движение – обусловливают быструю утрату частицами их волновых квантовых свойств. Иными словами, совокупность внутренних факторов и без физиков совершает «квантовое измерение» каждой из частиц, из которых состоит какое-либо вещество, заставляя их менять свое поведение и придавая миру, который нас окружает, привычные формы и краски. Чтобы увидеть квантовые чудеса частиц, вам нужно оказаться в очень необычном месте (например, внутри Солнца), заглянуть в самые глубины микромира (с помощью таких приборов, как электронный микроскоп) или аккуратно выставить в одну линию квантовые частицы так, чтобы они прошлись у вас перед глазами стройным маршем (как это делают спины ядер водорода внутри вашего тела, когда вы лежите внутри МР-томографа, пока не выключат магниты и ориентация спина ядра снова не станет случайной, вновь нейтрализуя квантовые связи). Благодаря подобной молекулярной рандомизации мы и можем обходиться без квантовой механики большую часть времени: квантовые чудеса не работают внутри окружающих нас видимых объектов, которые состоят из случайно ориентированных молекул, находящихся в постоянном движении.
Большую часть времени… но не всегда. Шультен обнаружил, что скорость быстрой триплетной химической реакции находит объяснение только в том случае, если обратиться к удивительному квантовому свойству запутанности. Но ведь быстрая триплетная реакция всегда является такой – быстрой. А участвует в ней всего только пара молекул. Если бы эта реакция была причиной поразительных навигационных способностей малиновки, она бы оказывала продолжительное воздействие на весь организм птицы. Поэтому утверждение, что внутренний птичий магнитный компас работает на основе квантовой запутанности, находилось на совершенно ином уровне по сравнению с утверждением о том, что запутанность каким-то образом связана с некой замысловатой химической реакцией, в которой участвует только пара частиц. Но и это утверждение было встречено немалым скептицизмом. Считалось, что живые клетки состоят в основном из воды и биомолекул, которые находятся в состоянии возбуждения, что приводит к постоянному измерению их состояния и утрате странных квантовых свойств. Под словом «измерение» мы, разумеется, не подразумеваем того, что молекулы воды или биомолекулы выполняют измерения подобно тому, как мы измеряем вес или температуру объекта, а затем записываем эти показатели на бумагу или на жесткий диск компьютера либо просто запоминаем их. Мы говорим о том, что происходит, когда молекула воды сталкивается с одной из запутанных частиц: ее последующее движение будет зависеть от состояния этой частицы. Если бы вы исследовали движение молекулы воды после столкновения с частицей, вы бы смогли сделать вывод о некоторых свойствах этой частицы. Поэтому в каком-то смысле молекула воды выполнила экспериментальное «измерение», поскольку ее движение фиксирует состояние запутанной пары частиц независимо от того, существует ли наблюдатель их столкновения. Даже подобное случайное измерение обычно приводит к нарушению состояния запутанности. Вот почему утверждение о том, что частицы способны сохранять настолько тонко организованные квантовые состояния запутанности в теплом пространстве сложно устроенных живых клеток, принималось многими за нелепую идею, граничащую с безумием.
Тем не менее в последние годы наши познания в этой области значительно расширились, и не только в связи с изучением птиц. Было обнаружено, что такие квантовые явления, как суперпозиция и туннельный эффект, являются частью многих биологических процессов – от поглощения солнечного света растениями до синтеза биомолекул во всех клетках нашего организма. Даже чувство обоняния или набор генов, который мы наследуем от родителей, могут зависеть от таинственного квантового мира. Статьи с результатами исследований в области квантовой биологии регулярно появляются на страницах самых престижных научных журналов мира. Более того, уже существует небольшая (но постоянно растущая) группа ученых, уверенных в значительной, даже решающей роли законов квантовой механики в самом явлении жизни, а также в том, что жизнь и есть то самое состояние, которому таинственные квантовые свойства присущи на границе микро- и макромиров.
Нам стало ясно, что таких ученых пока очень мало, когда мы решили провести международный симпозиум по квантовой биологии в Университете Суррея в сентябре 2012 года: на симпозиум приехали почти все специалисты в этой области, и все они разместились в небольшом лекционном зале. Однако в сферу квантовой биологии приходит все больше ученых, вдохновленных открытиями, которые подтверждают значительную роль квантовой механики в биологических процессах. Одной из самых увлекательных исследовательских областей, способной серьезно повлиять на развитие новых квантовых технологий, является та, что с недавних пор приоткрывает ученым тайну способности мистических квантовых свойств сохраняться в теплой, влажной и беспорядочной среде живых организмов.
Чтобы в полной мере представить себе значимость этих открытий, мы должны сперва ответить на вопрос, который обманчиво может показаться вам простым: что есть жизнь?
Литература к главе 1
1. Atkins P. W. Magnetic field effects // Chemistry in Britain, 1976. – № 12. – P. 214.
2. Emlen S., Wiltschko W., Demong N. and Wiltschko R. Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings // Science, 1976. – № 193. – P. 505–508.