Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

Это простейшее составное ядро – меньше него лишь одиночный протон или нейтрон, – а потому оно служит опытным образцом для изучения свойств ядерной силы, которая удерживает нуклоны вместе внутри ядра. С помощью него также можно изучать взаимодействие с другими ядрами, чтобы исследовать их свойства. При подготовке докторской мне повезло иметь своим научным руководителем Рона Джонсона, одного из ведущих мировых экспертов по строению и реакционным характеристикам дейтрона, из-за чего в студенческой среде за ним закрепилось прозвище Дейтрон Джонсон.

Как только дейтроны формируются внутри Солнца, они могут вступать в реакцию синтеза с другими протонами и образовывать ядра гелия. Для этого дейтронам и протонам необходимо туннелировать сквозь их обоюдный кулоновский барьер.

Исследование синтеза с участием дейтерия и трития (еще более тяжелого изотопа водорода, ядра которого состоят из одного протона и двух нейтронов) проводятся во многих странах. В настоящее время «порог самоокупаемости» уже пройден, то есть в результате процесса синтеза производится больше энергии, чем необходимо для создания начальных условий, требуемых для синтеза ядер. Следующим шагом станет поддержание условий синтеза в течение более чем краткой доли секунды!

Реакторы синтеза не только обладают бесконечным запасом топлива (воды), но и производят гораздо менее опасные отходы, чем реакторы ядерного распада. Именно поэтому большинство самых богатых стран инвестировало и продолжает инвестировать огромные средства в эти исследования, несмотря на медленный прогресс.

Квантовая механика в медицине

Мне не перечислить всех применений квантовой механики в медицине, от рентгеновских лучей до лазерной хирургии, поэтому я кратко опишу лишь два. Одно использует квантово-механический спин ядер, в то время как другое предполагает применение антивещества для создания карты мозга.

Принципы техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР) полвека назад были разработаны американскими физиками и уже многие годы использовались для проведения спектроскопии в химии. Идея заключается в измерении концентрации различных атомов в материалах на основании излучения их ядер при перенаправлении их квантового спина в магнитном поле. Многие ядра вращаются (квантовомеханически) из-за совокупного спина составляющих их протонов и нейтронов. Ось вращения ядра, как стрелка компаса, становится параллельно линиям воздействующего на нее внешнего магнитного поля. В зависимости от направления спина (в свободном классическом смысле) мы можем посчитать эту ось указывающей в одну или в другую сторону вдоль линий магнитного поля. Это направление спина называется просто: «спин вверх» или «спин вниз». Некоторые ядра затем индуцируются для разворота спина под действием высокочастотного сигнала колеблющегося магнитного поля. Возвращаясь к начальной ориентации, они высвобождают крошечное количество энергии, специфичной для этого типа ядра.

Большая часть материалов, таких как органическое вещество, из которого сформированы наши тела, состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из различных видов атомов. Применяя технику, называемую «построением проекций», ЯМР-сигналы от постоянных разворотов спина определенных атомов можно использовать для создания изображений внутреннего строения человеческого тела. Этот метод практически не причиняет человеку вреда, поскольку, в отличие от рентгеновской томографии, в этом случае тело не подвергается воздействию вредного ионизирующего излучения. Несмотря на это аппараты, применяющие описанную технику, обычно называют магнитно-резонансными томографами (МРТ), поскольку использующееся в ЯМР слово «ядерный» вызывает у многих страх.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) представляет собой удивительную технику, принцип действия которой объяснить довольно просто. В частности, ПЭТ применяется для получения изображения мозга жертвы инсульта или новорожденного младенца, подвергшегося при рождении кислородной недостаточности. Сначала в тело вводится глюкоза, содержащая безвредные радиоактивные изотопы углерода или азота, которые переносятся в мозг. Затем путем измерения концентрации глюкозы, источника энергии для мозга, в различных областях выделяются области высокой и низкой нервной активности.

Как работает ПЭТ-сканер. Атомы нестабильного изотопа используются, чтобы направить молекулы глюкозы в мозг. Ядра этих атомов подвергаются бета-распаду путем испускания позитрона (античастицы электрона). Этот позитрон быстро сталкивается с атомным электроном и аннигилирует, высвобождая два идущих друг за другом гамма-фотона. ПЭТ-сканер состоит из массивов фотонных детекторов, которые регистрируют гамма-лучи сцинтиллирующими кристаллами. Многие атомы в этих кристаллах возбуждаются единственным высокоэнергетическим гамма-лучом, но быстро падают на начальный уровень, высвобождая менее энергетические фотоны. Эти фотоны, в свою очередь, запускают высвобождение каскада электронов внутри трубки фотоэлектронного умножителя, в результате чего на выходе мы видим электрическую пульсацию. Эти сигналы используются, чтобы срез за срезом построить карту мозга на основании концентрации глюкозы в различных его областях. Хотя возможность заглянуть внутрь человеческого мозга при помощи радиоактивных атомов, которые выплевывают антивещество, и может показаться пугающей, на самом деле ПЭТ-сканеры причиняют меньше вреда, чем рентгеновские лучи.

Радиоактивные изотопы в глюкозе подвергаются бета-распаду и испускают позитроны. Эти частицы почти сразу встречаются с электронами и происходит процесс аннигиляции пар, в ходе которого электрон и позитрон исчезают во вспышке света, испуская два энергетических фотона. Эти фотоны регистрируются детекторами, называемыми фотоэлектронными умножителями, и их пути прослеживаются до той самой точки внутри мозга, где произошла аннигиляция электрона и позитрона. Таким образом обнаруживается распавшееся радиоактивное ядро, а следовательно, и перенесшая его глюкоза. В результате регистрации большого количества таких фотонных пар за определенный отрезок времени создается серия изображений, которая показывает изменения в концентрации глюкозы.

Квантовая механика и генетические мутации

Несколько лет назад мы с моим коллегой-микробиологом Джонджо Мак-Фадденом опубликовали в американском журнале Biosystems спекулятивную статью, в которой предположили квантовое происхождение необычного типа генетической мутации, известной как адаптивная мутация, бактерии Е. coli. Спекулятивной эта статья была по двум причинам. Во-первых, процесс адаптивных мутаций был и в некотором роде остается объектом противоречий. Во-вторых, предлагаемый нами квантовый механизм требовал наличия у живых клеток определенного уникального квантового свойства, иначе вся наша теория не выдерживала бы никакой критики.

Теперь мы знаем, что свойства генетического кодирования молекул ДНК во всех живых клетках объясняются природой водородных связей между базовыми парами. Как только Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли двойную спираль ДНК, стало известно, что определенные естественные мутации могут происходить из-за произвольного квантового туннелирования протонов с одного места ДНК в другое, что приводит к формированию другой химической связи. Эта своего рода случайная ошибка в коде ДНК случается в одном случае на миллиард, но, когда это происходит, мы получаем квантовую мутацию. Таким образом, квантовая механика явно сыграла некоторую роль в процессе эволюции.

Адаптивные мутации невозможно объяснить столь же очевидным образом. Когда штамму клеток Е. coli, называемому lac-, поскольку он лишен энзима, позволяющего ему питаться лактозой, дают одну лактозу, ожидается, что большинство клеток погибнет от голода. Однако немногие случайным образом мутируют в штамм lac+, который может питаться лактозой и