Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Молекулярная биология и квантовая механика развивались скорее параллельно, чем совместно. Биологи редко посещали лекции по физике, а физики уделяли мало внимания биологии. Однако в апреле 2007 года группа физиков и математиков МТИ, работавших в загадочной сфере под названием «квантовая теория информации», собралась на очередное заседание публицистического кружка (каждый член по очереди представлял новую статью, которую он нашел в научной литературе). Один из участников принес экземпляр New York Times со статьей, в которой было выдвинуто предположение о том, что растения являются квантовыми компьютерами (подробности об этих замечательных механизмах — в главе 8). Группа взорвалась хохотом. Один из членов команды, Сет Ллойд, так вспоминает о первом впечатлении от подобного «квантового жульничества»: «Нам казалось, что это настоящая истерия… В голове прозвучало как „О Боже, это самая безумная вещь, которую я слышал в жизни“» [48] Интервью CBC News доступно по ссылке: http://www.cbc.ca/news/technology/quantum-weirdness-used-by-plants-animals-1.912061. . Причиной их недоверия стал тот факт, что многие наиболее выдающиеся и финансируемые исследовательские группы в мире могли потратить десятилетия, пытаясь выяснить, как построить квантовый компьютер, машину, которая может проводить определенные расчеты намного быстрее и эффективнее, чем самые мощные современные компьютеры (вместо использования цифровых битов информации, выраженных в виде 0 или 1, новый компьютер позволит информации быть и нулем, и единицей одновременно, таким образом, производить все возможные расчеты синхронно — высшая степень параллельной обработки данных). В статье из New York Times говорилось о том, что ничтожная былинка способна проводить своего рода квантовые фокусы, которые лежат в основе квантовых вычислений. Неудивительно, что исследователи из МТИ были настроены скептично. Они, возможно, не могут построить работающий квантовый компьютер, но если статья правдива, то они могут съесть такой компьютер с салатом на ланч!

Тем временем недалеко от аудитории, где члены кружка хохотали над статьей от всей своей квантовой души, фотон света со скоростью почти 300 тысяч километров в секунду стремился к дереву со знаменитой родословной.

Мы вскоре вернемся к фотону и дереву и узнаем, как они связаны с квантовым миром, но сначала предлагаем вам рассмотреть удивительно простой эксперимент, который подчеркивает таинственность квантового мира. Пока мы прилагаем все усилия, чтобы как можно понятнее объяснить, что подразумевают такие выражения, как «квантовая суперпозиция», нет ничего нагляднее знаменитого опыта с двумя щелями, описанного ниже.

Опыт с двумя щелями наиболее просто и в полной мере показывает, что в квантовом мире все устроено по-другому. Частицы могут вести себя как волны, распространяясь в пространстве, а волны могут иногда приобретать свойства частиц. Мы уже говорили о корпускулярно-волновом дуализме: во введении он описан как особенность, благодаря которой становится понятно, как Солнце генерирует энергию; в главе 3 мы с вами разобрались в том, как волновые характеристики электронов и протонов позволяют им преодолевать энергетические барьеры в структуре ферментов. В этой главе вы узнаете, что корпускулярно-волновой дуализм также влияет на наиболее важные биохимические реакции в биосфере: превращение воздуха, воды и света в растения, микроорганизмы и — косвенно — во всех нас. Но сначала мы должны понять, как смелая идея о том, что частицы могут находиться в нескольких местах одновременно, подтверждается простейшими, изящными и в то же время наиболее масштабными экспериментами в истории: один из этих экспериментов, согласно Ричарду Фейнману, «лежит в сердце квантовой механики».

Однако должен предупредить, что описанное тут покажется вам невозможным и вы можете подумать, что должен быть более рациональный способ объяснить происходящее. Вы можете размышлять, в чем же секрет этого магического фокуса. Или вы можете прийти к выводу, что опыт представляет собой чистой воды теоретическую спекуляцию, выдуманную учеными, которым не хватило воображения, чтобы понять механизмы природы. Но ни одно из этих объяснений не является верным. Опыт с двумя щелями не имеет (здравого) объяснения, но является реальным и воспроизводился тысячи раз.

Мы опишем эксперимент в три этапа; первые два будут касаться описания условий, чтобы вы могли оценить непостижимые результаты третьей, основной, стадии.

Сначала пучок монохромного света (состоящий из волн одного цвета, то есть волн одинаковой длины) направляется на экран с двумя узкими щелями, которые позволяют некоторому количеству света пройти через обе щели на второй экран (рис. 4.1).

Рис. 4.1.Опыт с двумя щелями, стадия 1. Когда монохромный свет (имеющий определенную длину волны) направляется на две щели, каждая щель выступает в качестве нового источника света с другой стороны. Благодаря волновой природе свет распространяется (рассеивается) после прохождения через каждую щель, так что круговые волны перекрываются и взаимодействуют друг с другом, образуя темные и светлые полосы на заднем экране

Точно контролируя ширину щелей, расстояние между ними и расстояние между двумя экранами, мы можем создать последовательность светлых и темных полос на втором экране, известную как интерференционная картина.

Интерференционные картины представляют собой графики волн, их легко увидеть в любой волновой среде. Бросьте камень на гладь пруда, и вы увидите, как ряд концентрических циркулярных волн расходится от места всплеска. Бросьте два камня в один пруд, и каждый из них будет образовывать свои собственные концентрические волны. В том месте, где волны от двух камней перекрываются, вы увидите интерференционную картину (рис. 4.2).

Рис. 4.2.Конструктивная и деструктивная интерференция волн

Там, где пик одной волны встречается с минимальной точкой другой, они нейтрализуют друг друга, что приводит к отсутствию волны в этой точке. Это явление называют деструктивной интерференцией. И наоборот, там, где встречаются два пика или две минимальные точки, они усиливают друг друга, создавая двойную волну: это явление называют конструктивной интерференцией. Подобная картина угасания и усиления волн может наблюдаться в любой волновой среде. Английский физик Томас Янг продемонстрировал интерференцию пучков света в ранней версии опыта с двумя щелями, проведенного более 200 лет назад. Результат убедил его и многих других ученых в том, что свет на самом деле представляет собой волну.