Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

расти, а следовательно, начинает делиться. Было обнаружено, что в присутствии лактозы в lac+ Е. coli мутирует гораздо больше lac-, чем в ее отсутствие, даже несмотря на то что они не могут знать о присутствии лактозы, пока не произойдет мутация. Это казалось настоящим волшебством.

Объяснение здесь может дать идея квантовой суперпозиции. Видите ли, в каждой клетке мутация lac – в lac+ может объясняться туннелированием одного протона между двумя соседними положениями. С точки зрения квантовой механики, конечно, волновая функция протона такова, что есть определенная вероятность его обнаружения в любом из этих положений, то есть она пребывает в суперпозиции осуществленного и неосуществленного туннелирования. При условии что такая квантовая когерентность может достаточно долго поддерживаться в клетке, вся ДНК должна превратиться в суперпозицию мутировавших и не мутировавших состояний.

Проблема, само собой, заключается в декогеренции, в просачивании квантовой странности в окружающую среду. Это должно занимать не более одной миллионной доли секунды, то есть слишком быстро, чтобы в клетке произошли необходимые изменения и она (или часть ее волновой функции) мутировала в тот штамм, который знает о присутствии лактозы и может ее перерабатывать. Однако мы хотели, чтобы суперпозиция сохранялась достаточно долго, чтобы декогеренцию вызывала сама лактоза. В таком случае лактоза фактически открывает коробку с котом Шрёдингера и приводит к коллапсу волновой функции клетки, которая начинает описывать лишь одно состояние из двух возможных. Это происходит потому, что при наличии верного штамма Е. coli запускаются химические реакции с участием лактозы, которые также могут вызывать декогеренцию. Если декогеренция в присутствии лактозы проявляется быстрее, чем в ее отсутствие, мы можем объяснить неожиданные результаты, полученные в экспериментах по адаптивной мутации.

Причина этого в таком случае кроется в простом механизме, где повторяющиеся измерения «тянут» квантовую систему из одного состояния в другое. Если лактоза «измеряет» клетку и выясняет, что она пребывает в мутировавшем состоянии lac+, что происходит редко, то клетка начинает питаться этой лактозой и расти. Но если клетка пребывает в состоянии lac-, то ничего не происходит, и она снова возвращается в суперпозицию двух состояний. Следовательно, чем чаще будет проводиться измерение, тем более регулярным станет появление мутаций lac+.

К несчастью, поверить, что квантовая когерентность будет так долго сохраняться в столь сложной и активной среде, как живая клетка, весьма нелегко. Это возможно, только если клетка ведет себя совершенно иначе, чем неодушевленная система эквивалентного размера, сложности и температуры. И правда, в 1944 году в своей знаменитой книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шрёдингер предположил, что живые клетки поддерживают структуру и порядок, эквивалентный порядку обычной материи при температуре, стремящейся к абсолютному нулю – в режиме, где квантовые эффекты сохраняются гораздо дольше. Но, поскольку никто до конца не понимает, что именно делает жизнь такой особенной, наша теория остается спекуляцией.

За прошедшее с момента публикации статьи время я несколько охладел к этой идее. Однако физик Пол Дэвис – один из немногих, кто воспринял наше предположение на ура, – тоже интересуется этими вопросами. Он утверждает, что нам еще предстоит должным образом понять природу декогеренции, не говоря уже о сложных квантовых свойствах живых клеток, поэтому нам еще работать и работать в этом направлении.

Микроскопы для наблюдения за атомами

К началу 1930-х годов развитие оптических микроскопов – таких микроскопов, которые направляют свет на образец посредством системы линз, – достигло потолка. Длина волны видимого света ограничила максимальное приближение примерно до 1000× (а разрешающую способность – до долей микрона). Желание рассмотреть в живых клетках более мелкие детали привело ученых к мысли об использовании гораздо более коротких волн. Здесь и оказалась полезной квантовая волновая природа электронов. Длины волн материи, соответствующих пучкам электронов, существенно меньше длин волн видимого света. Первый электронный микроскоп был разработан в Германии в 1931 году и использовался для направления пучка электронов для исследования строения и состава образцов. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) работает по тому же принципу, что и диапроектор, где часть пучка проходит сквозь образец, в результате чего его изображение проецируется на экран.

После Второй мировой войны появился новый тип электронного микроскопа, так называемый растровый электронный микроскоп (РЭМ). Он сканирует поверхность образца электронным пучком. Изображение поверхности формируется путем сбора и усиления электронов, которые отскакивают от образца или выбиваются из него.

Успехи в области микроскопии привели к тому, что сегодня разрешение позволяет разглядеть отдельные атомы. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), впервые разработанный в начале 1980-х, предполагает скольжение острой проводящей металлической иглы над поверхностью образца. Электроны получают возможность осуществлять квантовое туннелирование сквозь промежуток на поверхность образца, а вырабатываемый таким образом измеряемый электрический ток соответствует ширине промежутка, а следовательно, и положению атомов на поверхности образца.

Принципиальным недостатком СТМ является то, что образец тоже должен быть очень хорошим электрическим проводником, причем изучаемые пробы необходимо подготавливать определенным образом. К 1989 году был разработан первый поступивший в продажу атомно-силовой микроскоп (ACM). Хотя такие микроскопы используют сходную технику сканирования с применением острой иглы для зондирования и описания поверхности образца, они не регистрируют туннелирование электронов, а задействуют очень чувствительную пружину, которая чуть прижимает иглу к поверхности образца. Используемая для удержания иглы на месте при ее скольжении по неровной поверхности сила сравнима с внутриатомными силами (и составляет примерно 10-9 Ньютона), поэтому микроскоп и называется атомно-силовым.

В наши дни сканирующая микроскопия с использованием СТМ и АСМ применяется не только для получения изображений поверхностей образцов. Физики и химики в состоянии использовать зонд для контролируемого перемещения молекул и даже отдельных атомов. В настоящее время разрабатываются новые техники, которые применяются в целом спектре сфер, от биологии до полупроводников, от хранения данных до изучения атомной структуры полимеров и кристаллов. В будущем зонды СТМ, возможно, будут использоваться даже для построения целых массивов крошечных молекулярных машин, Священного Грааля процветающей сферы нанотехнологий.

Зонд СТМ сканирует поверхность материала, позволяя электронам туннелировать сквозь промежуток и генерировать электрический ток, который дает описание контуров поверхности. Такой зонд можно использовать даже для контролируемого перемещения атомов по поверхности.

Атомная инженерия и нанотехнологии

Из названия понятно, что нанотехнологии представляют собой относительно новую сферу строительства и применения микромеханизмов в масштабах нанометров (10-9 метров, или миллионных долей миллиметра). Это масштаб атомов и молекул, который совершенно точно принадлежит к квантовому миру. Многие физики сегодня полагают, что ничто не запрещает однажды действительно создать таких крошечных молекулярных роботов, состоящих из микросхем, рычагов, шестеренок и передач. Чтобы вы могли представить себе размеры этих сущностей, я