Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Мы можем представить волновую функцию, описывающую один атом после его выхода из источника. Он ведет себя как волна, которая стремится к щелям, так что на уровне первого экрана ее амплитуда будет равна в каждой щели. Если мы помещаем датчик к одной из щелей, нам следует ожидать равных вероятностей: 50 % времени мы будем фиксировать атом на левой щели и 50 % времени — на правой щели. Но — и это важно — если мы не пытаемся обнаружить атом на уровне первого экрана, то волновая функция проникает через обе щели без разрушения. Таким образом, в квантовых терминах мы можем говорить о волновой функции, которая описывает один атом в его суперпозиции: его существовании в двух местах одновременно, соответственно его волновой функции, проходящей через правую и левую щели одновременно.

По другую сторону щелей каждая отдельная часть волновой функции, одна из левой и одна из правой щели, снова распространяется и формирует набор математических волн, которые перекрываются, в одних точках усиливая, а в других — нейтрализуя амплитуду друг друга. Комбинированный эффект состоит в том, что волновая функция имеет картину, характерную для других волновых феноменов, таких как свет. Но будем иметь в виду, что эта сложная волновая функция все еще характерна для одного атома.

На втором экране, где осуществляется окончательное измерение положения атома, волновая функция позволяет нам рассчитать вероятность обнаружения частицы в различных точках экрана. Яркие полосы на экране соответствуют тем позициям, где две части волновой функции, исходящей из двух щелей, усиливают друг друга, а темные полосы соответствуют тем позициям, где они нейтрализуют друг друга и образуют нулевую вероятность обнаружения атома в этих позициях.

Важно помнить, что этот процесс усиления и нейтрализации — квантовая интерференция — имеет место даже при участии одной частицы. Помните, что существуют участки на экране, которых атомы, испускаемые одновременно, могут достичь только при одной открытой щели и которые остаются недостижимыми при обеих открытых щелях. Это имеет смысл только тогда, когда каждый атом, выпущенный из атомной пушки, описывается волновой функцией, которая может проходить оба пути одновременно. Комбинированная волновая функция с участками конструктивной и деструктивной интерференции исключает возможность обнаружения атома в некоторых позициях на экране, доступных только при одной открытой щели.

Все квантовые частицы, будь то элементарные частицы или атомы или молекулы, состоящие из этих частиц, демонстрируют волнообразное поведение, так что они могут взаимодействовать друг с другом. В таком квантовом состоянии они могут проявлять любое странное квантовое поведение, такое как нахождение в двух местах одновременно, вращение в обоих направлениях одновременно, прохождение через непроницаемые барьеры или причудливые запутанные связи с отдаленными партнерами.

В таком случае почему вы или я, состоящие из квантовых частиц, не можем быть в двух местах одновременно? Это было бы очень полезно в наше суетливое время. Ответ на это очень прост: чем больше и массивнее тело, тем меньше волновых свойств оно имеет и тело с массой и размерами человека или еще что-то достаточно большое и видимое невооруженным глазом будет иметь такую малую квантовую длину волны, которая не имеет измеримого эффекта. Но, если посмотреть глубже, вы можете подумать, что каждый атом в вашем теле наблюдается, или измеряется, другими атомами вокруг него, так что любые минимальные квантовые свойства, которыми он может обладать, очень быстро разрушаются.

Что же тогда мы подразумеваем под «измерением»? Мы уже кратко ответили на этот вопрос в главе 1, но теперь должны остановиться на нем подробнее, так как это является ключевым моментом в вопросе, насколько велик квантовый компонент в квантовой биологии.

Несмотря на свою объяснительную силу, квантовая механика не говорит нам ничего о том, как сделать шаг от уравнений и описания того, как электрон, скажем, движется вокруг атома, к тому, что мы видим при конкретном измерении этого электрона. По этой причине отцы-основатели квантовой механики предложили набор временных правил, которые стали приложением к математическому формализму. Они известны как квантовые постулаты и предоставляют своего рода руководство о том, как перевести данные математического моделирования уравнений в осязаемые объекты, которые мы можем наблюдать, такие как положение или энергия атома в любой заданный момент.

Что касается реального процесса, когда атом перестает находиться «здесь или там» и находится только «здесь», то никто не знает, что происходит. Большинство физиков с радостью приняли прагматичную точку зрения о том, что это «просто происходит». Проблема в том, что ситуация требует определения различий между квантовым миром, где происходят такие чудеса, и нашим ежедневным макромиром, где поведение объектов основано на органах чувств. Измерительный прибор, который обнаруживает электрон, должен быть частью этого макромира. Но как, где и когда этот измерительный процесс имеет место, основатели квантовой механики никогда не уточняли.

Вопрос хрупкости квантовой когерентности (удержание волновой функции от исчезновения), несомненно, является главной задачей группы МТИ, с которой мы познакомились в начале этой главы, и их коллег по всему миру в их стремлении создать квантовый компьютер. Вот почему они так скептически отнеслись к заявлению в New York Times о том, что растения представляют собой квантовые компьютеры. Физики применили все виды интеллектуальных и дорогостоящих уловок, чтобы защитить квантовый мир внутри своих компьютеров от разрушающей когерентность внешней среды. Таким образом, идея, что квантовая когерентность может поддерживаться в жарком влажном и молекулярно турбулентном климате внутри травинки, была, очевидно, воспринята как безумие.

Однако теперь мы знаем, что на молекулярном уровне многие важные биологические процессы могут на самом деле происходить очень быстро (порядка триллионов в секунду) и также могут быть ограничены короткими атомными расстояниями. Именно такие расстояния и скорости, на которых происходят квантовые процессы, например туннелирование, могут имеет эффект. Таким образом, несмотря на то, что полностью избежать декогерентности невозможно, ее можно отсрочить настолько, чтобы получить биологический эффект.

Взгляните на секунду на небо, и в ваш глаз попадет поток света длиной около 300 тысяч километров. В ту же секунду на земле растения и фотосинтезирующие микроорганизмы используют поток солнечного света для получения около 16 тысяч тонн нового органического вещества в виде деревьев, травы, водорослей, ландышей, гигантских секвой и яблок. В этом разделе мы должны разобраться, как действительно происходит этот первый шаг в трансформации неживого вещества в практически всю биомассу нашей планеты; и в качестве примера трансформации мы возьмем превращение воздуха Новой Англии в яблоко на дереве Ньютона.

Чтобы увидеть этот процесс в действии, мы снова позаимствуем наноподлодку, которую использовали для исследования действия ферментов в предыдущей главе. Когда вы взойдете на борт, держите курс наверх, в листву дерева, на один из его растущих листьев. Лист продолжает расти, пока его дальние края не скроются за горизонтом, а его на первый взгляд гладкая поверхность превращается в неровную платформу, вымощенную зелеными кирпичиками с вкраплениями небольших круглых светлых блоков, в каждом из которых расположена дырка-пора. Зеленые кирпичи называются клетками эпидермиса, а круглые блоки — устьицами: их функция — пропускать воздух и воду (субстраты фотосинтеза) с поверхности листа в его внутреннюю среду. Вы ведете аппарат над ближайшим устьицем и, когда длина судна уменьшается до микрометра (миллионной части метра), снижаетесь, чтобы пройти сквозь пору и оказаться внутри зеленой и яркой среды листа.