Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

После нескольких дней полета малиновка наконец возвращается в скандинавский хвойный лес, который она покинула много месяцев назад. Ее главная задача сейчас — найти самца. Самцы вернулись несколькими днями раньше, нашли подходящие для гнездования места и завлекают самок своими трелями. Нашу малиновку привлекает особенно мелодичная песня одного самца, который во время ритуала ухаживания угощает ее личинками жука. После короткого спаривания сперма самца соединяется с яйцеклеткой самки, и в результате появляется новое поколение птиц, точно копирующих генетическую информацию родителей — форму, структуру, биохимию, физиологию, анатомию и даже трели.

В предыдущих главах мы неоднократно говорили о том, что не можем быть на 100 % уверенными, что все явления, описанные в этой книге, можно объяснить с точки зрения квантовой механики. Однако не вызывает сомнений тот факт, что чудесные и уникальные свойства малиновки, рыбы-клоуна, бактерий, которые выжили под антарктическим льдом, динозавров, которые бродили в лесах юрского периода, бабочки-монарха, дрозофил, растений и микробов и нас, людей, берут начало в квантовом мире. Многое остается непознанным и неоткрытым. Но прелесть любой новой области исследований заключается в абсолютной неизвестности. Ведь как говорил Исаак Ньютон: «Не знаю, каким видит меня мир, но себе я кажусь мальчиком, который играет на морском берегу, развлекаясь тем, что время от времени подбирает камешек поглаже, раковину покрасивее, в то время как великий океан Истины неизведанный лежит передо мной».

Джим Аль-Халили— профессор, кавалер ордена Британской империи, академик, автор книг и участник научно-популярных передач. Джим Аль-Халили — ведущий физик-теоретик, работающий в университете Суррея, занимающийся исследованиями в сфере квантовой механики и преподавательской деятельностью. Автор бестселлера «Парадокс. Девять великих загадок физики» (СПб.: Питер, 2015).

Джонджо Макфадден— профессор молекулярной генетики в Суррейском университете, научный редактор ведущих учебных пособий по молекулярной биологии и системной биологии туберкулеза. Более десяти лет занимается исследованиями туберкулеза и менингита, изобрел успешный молекулярный тест для диагностики менингита. За свои открытия удостоен премии Вольфсона от Королевского научного общества Великобритании. Автор и соавтор нескольких научно-популярных книг. Макфадден регулярно публикует в газете Guardian научно-популярные статьи — в частности, о генномодифицированных растениях, психоделических препаратах и квантовой механике.

Atkins P. W. Magnetic field effects // Chemistry in Britain, 1976. — № 12. — P. 214.

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.

В науке принято относить детерминистские физические теории, которые предшествовали квантовой механике (в том числе специальную и общую теории относительности), к классической физике в отличие от неклассической квантовой механики. — Здесь и далее примеч. авт.

Все же неправильно полагать, что туннельный эффект подразумевает преодоление барьеров физическими волнами; способность квантовой частицы в одно мгновение оказаться по другую сторону барьера описывается абстрактными математическими моделями волн. В этой книге мы будем стараться приводить аналогии квантовых явлений, интуитивно понятные читателям, однако реальность такова, что квантовая механика чрезвычайно контринтуитивна, поэтому авторы рискуют слишком упростить некоторые аналогии, пусть и с благородной целью максимально ясного изложения.

Все химические элементы имеют разновидности атомов, называемые изотопами. Отдельный элемент выделяется на основе количества протонов в ядре его атомов: атомные ядра водорода содержат один протон, ядра гелия — два и т. д. Однако количество нейтронов, содержащихся в ядре, может варьироваться. Так, водород имеет три разновидности (изотопа): обычно в атоме водорода содержится только протон, а более тяжелые изотопы — дейтерий и тритий — имеют в ядре, кроме протона, один или два нейтрона соответственно.

Строго говоря, дейтрон обязан своей стабильностью одному из свойств ядерных сил. Протон и нейтрон связываются благодаря тензорному взаимодействию, которое вынуждает эту пару частиц находиться в квантовой суперпозиции двух одновременных моментов импульса — S-волны и D-волны.

Следует оговориться, что специалисты в области квантовой физики не пользуются таким упрощенным языком. Правильнее будет сказать, что две удаленные, но запутанные частицы сохраняют нелокальную взаимозависимость потому, что являются частями одного и того же квантового состояния. Однако такая формулировка мало что проясняет, не правда ли?

Поскольку свет — это не только частицы, но и волна, поляризацию (в отличие от квантового спина) гораздо проще понимать как направление, в котором распространяется волна.

И вновь мы во многом упрощаем язык изложения, чтобы читатель мог себе представить описываемое максимально ясно. Измерение определенного свойства квантовой частицы (например, ее положения) означает, что у нас больше нет неопределенности относительно этого свойства — оно попадает в центр нашего внимания и перестает быть туманным, неясным. Однако это не означает, что отныне, с измеренным и описанным нами свойством, частица начинает вести себя традиционно, в рамках классической физики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга частица больше не имеет фиксированной скорости. На самом деле частица в определенном положении будет в тот момент времени находиться в состоянии суперпозиции, двигаясь одновременно со всеми возможными скоростями и во всех возможных направлениях. Что касается квантового спина, поскольку это свойство присуще только объектам микромира, его измерение точно не заставит частицу вести себя подобно объекту классической механики.

Во второй половине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электрические и магнитные силы представляют собой проявления одной и той же силы — электромагнетизма.

Имеется в виду стол для игры в американский бильярд, или пул.

Свободная энергия — одно из важнейших понятий термодинамики, содержание которого описание, приведенное в данной главе, иллюстрирует достаточно точно.

Стоит отметить, что некоторые биохимики того времени были виталистами.