Джим Аль-Халили, Джонджо Макфадден
Жизнь на грани
Ваша первая книга о квантовой биологии
Посвящается Пенни и Олли, Джули, Дэвиду и Кейт
Благодарности
Авторы работали над этой книгой на протяжении трех лет, хотя их сотрудничество в области новой увлекательной научной дисциплины, объединяющей квантовую механику, биохимию и биологию, длится почти два десятилетия. Однако, когда речь идет о такой междисциплинарной области знаний, как квантовая биология, едва ли возможно даже за такой длительный срок стать в ней полноценным экспертом, чувствующим себя уверенным и глубоко разбирающимся во всех смежных науках, которые и создают целостную картину новой области исследования. Не менее трудно браться за написание первой книги о такой области, особенно если эта книга адресована широкому кругу читателей, далеких от науки.
Совершенно точно никто из нас не смог бы написать такую книгу в одиночку, поскольку один из нас физик, а другой — биолог. Мы также с уверенностью можем сказать, что не смогли бы издать эту книгу, которой мы оба очень гордимся, если бы не помощь и советы многих людей, и большинство из них — ученые с мировым именем, признанные специалисты в своих исследовательских областях.
Мы безмерно благодарны Полу Дейвису за плодотворные обсуждения многих вопросов, связанных с квантовой механикой и значением ее явлений для биологических процессов, которые он вел с нами на протяжении 15 лет. Мы также благодарны многим физикам, химикам и биологам, которые ежегодно совершают научные прорывы в новой науке и обладают такими талантами и глубокими знаниями в своих исследовательских областях, каких у нас не было и нет. Мы выражаем особую признательность Дженнифер Брукс, Грегори Энджелу, Адаму Годбиру, Сету Ллойду, Александре Олайа-Кастро, Мартину Пленио, Санду Попеску, Торстену Ритцу, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону, Полу Стивенсону, Луке Турину и Влатко Ведралу. Мы также хотим поблагодарить Мирелу Дьюмик, координатора Института перспективных исследований Университета Суррея, которая практически в одиночку организовала международный симпозиум «Квантовая биология: актуальное состояние и возможности», успешно прошедший в Суррее в 2012 году (спонсорами симпозиума выступили IAS, BBSRC (Совет по научно-исследовательским работам в области биотехнологий и биологических наук) и проект MILES). Этот симпозиум позволил встретиться всем ведущим специалистам в области исследований квантовой биологии (новая наука только развивается, поэтому в данной научной области работает небольшое число ученых) и помог нам ощутить, что каждый из нас является частью действительно существующего исследовательского сообщества.
Когда текст данной книги был готов, мы попросили нескольких коллег из перечисленных выше просмотреть книгу и высказать свое мнение. Таким образом, мы выражаем благодарность Мартину Пленио, Дженнифер Брукс, Александре Олайа-Кастро, Грегори Шоулзу, Найджелу Скраттону и Луке Турину. Мы также хотим поблагодарить Филипа Бола, Пита Доунза и Грега Ноулза — за то, что они прочитали весь текст или отдельные главы в последней редакции и высказали проницательные комментарии, которые оказались очень важными и помогли нам значительно улучшить книгу. Мы выражаем признательность нашему агенту Патрику Уолшу, без которого эта книга не была бы опубликована, и Салли Гаминара из издательства «Рэндом Хаус» за веру в нас и за искреннюю заинтересованность в нашем проекте. Патрик заслуживает особых благодарностей, как и Кэрри Плитт из издательства «Конвилл и Уолш», за их советы и предложения, касающиеся структуры и формата книги, и за то, какой эта книга получилась, особенно в сравнении с ее первоначальным видом. Мы также выражаем восхищение редакторским талантом Джиллиан Сомерскейлс.
Наконец, мы хотим выразить глубокую благодарность нашим семьям за неоценимую поддержку, особенно в периоды дедлайнов, установленных издателями, а также авторам — самим себе — за то, что мы откладывали все текущие дела и погружались с головой в ноутбуки. Мы потеряли счет вечерам, выходным и семейным праздникам, когда вместо того, чтобы провести время с близкими людьми, мы отдавали его квантовой биологии. Надеемся, что эта книга того стоит.
Мы верим, что самое интересное ожидает и нас, и новую науку — квантовую биологию — впереди, в будущем.
Джим Аль-Халили и Джонджо Макфадден,
август 2014 года
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 (Erithacus rubecula) , 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).
Рис. 1.1. Магнитное поле Земли
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.
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[3], 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[4]. 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[5]— 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[6].
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[7]. Пионеры квантовой физики показали, что наличие такого явления, как запутанность, логически вытекало из их уравнений. Тем не менее оно казалось настолько неправдоподобным, что сам Эй