Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

В то время вряд ли кто-то воспринял эту идею всерьез. Коллеги Шультена из Института Макса Планка считали ее просто еще одной из его сумасшедших теорий, и редакторы Science , ведущего научного журнала, куда он отправил статью в первую очередь, были столь же мало впечатлены, написав: «Менее смелый ученый отправил бы это в мусорную корзину» [99] Pollack L. That nest of wires we call the imagination. — P. 11. . Шультен описывает свою реакцию: «Я почесал голову и подумал: это либо отличная идея, либо полная чушь! Я решил, что это отличная идея, и быстро опубликовал ее в одном немецком журнале!» [100] Schulten K., Swenberg C. E. and Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion // Zeitschrift für Physikale Chemie, 1978. — Vol. 111. — P. 1–5. . Но на данном этапе большинство ученых из тех, которые вообще об этом узнали, поместили теорию Шультена в один ряд с псевдонаучными и паранормальными объяснениями магниторецепции.

Прежде чем мы сможем увидеть, как работы Шультена и Вильчко помогают объяснить нахождение птицами своего пути вокруг земного шара, необходимо вернуться к загадочному квантовому миру и внимательно рассмотреть явление запутанности, которое мы вкратце описывали в главе 1 этой книги. Возможно, вы помните, что запутанность настолько удивительна, что даже Эйнштейн настаивал, будто бы она не может быть правильной. Но сначала мы должны познакомить вас с еще одной неотъемлемой составляющей квантового мира — спином.

Многие научно-популярные книги по квантовой механике использует понятие «квантовый спин», чтобы подчеркнуть всю странность субатомного мира. Мы решили не делать этого здесь просто потому, что данное понятие сильно отличается от всего, что мы можем передать на понятном всем языке. Но мы не можем больше оттягивать, так что начнем.

Так же как Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, у электронов и других элементарных частиц есть свойство, называемое спином, которое заключается в отличии от их нормального движения. Но, как мы отмечали в главе 1, этот квантовый спин отличается от всего, что мы можем представить на основе нашего повседневного опыта и знаний о вращающихся объектах, таких как теннисные мячи или планеты. Для начала стоит отметить, что не имеет никакого смысла говорить о скорости вращения электрона, ведь его спин может принимать только одно из двух возможных значений: он квантуется, как энергия квантуется на квантовом уровне. Электроны могут только — в широком смысле — вращаться или по часовой стрелке, или против. Это соответствует тому, что обычно называют спином по полю и спином против поля. И поскольку это квантовый мир со своими законами, электрон может, будучи не под наблюдением, вращаться в обоих направлениях одновременно. Можно сказать, что их спин представляет собой суперпозицию (то есть комбинацию или смесь) из спина по полю и спина против поля. В некотором смысле это может звучать даже более странно, чем то, что электрон может находиться в двух местах одновременно, — как может один электрон вращаться и по часовой стрелке, и против часовой стрелки одновременно?

Чтобы подчеркнуть, насколько нелогично понятие квантового спина, отметим, что после того, как электрон повернется на 360°, он не возвращается в исходное состояние; чтобы вернуться, он должен сделать два полных оборота. Это звучит странно, потому что мы до сих пор склонны представлять электрон как крошечную сферу вроде очень маленького теннисного мяча. Но теннисные мячи являются «обитателями» макромира, а электроны «живут» в субатомном квантовом мире, где действуют свои правила. На самом деле электроны не только не являются крошечными сферами, но о них нельзя даже сказать, что они вообще имеют размер. В общем-то, квантовый спин столь же реален, как и вращение теннисного мяча, просто он не имеет аналогов в привычной повседневной жизни и его нельзя нарисовать.

Тем не менее не стоит думать, что это просто абстрактное математическое понятие, которое существует только в учебниках и заумных лекциях по физике. Каждый электрон в вашем теле и во всей Вселенной вращается по-своему. В самом деле, если бы они этого не делали, мир, каким мы его знаем, в том числе и мы сами, просто не мог бы существовать, потому что квантовый спин играет ключевую роль в одной из самых важных идей в науке, а именно — принципе Паули, который лежит в основе всей химии.

Одно из последствий принципа Паули заключается в том, что если два спаренных электрона в атоме или молекуле имеют одинаковую энергию (как вы помните из главы 3, химические связи, удерживающие молекулы вместе, состоят из электронов, которые являются разделенными между атомами), то они должны иметь противоположные спины. Суммарный спин будет равен нулю, и тогда мы считаем их находящимися в синглетном состоянии. Это нормальное состояние пар электронов в большинстве атомов и молекул. Однако, когда электроны спарены на одном и том же энергетическом уровне, два электрона могут иметь однонаправленные спины, и это называется триплетным состоянием спина [101] Термин «триплетный» здесь может ввести в заблуждение неспециалиста в квантовой механике, тем более что речь идет о паре электронов, так что здесь необходимо краткое пояснение: считается, что электрон имеет спин 1/2. Так, когда пара электронов имеют противоположные спины, эти значения в сумме дают ноль (1/2 — 1/2 = 0). Это касается синглетного спинового состояния. Но когда их спины однонаправленны, эти значения складываются (1/2 + 1/2 = 1). Термин «триплетный» относится к тому, что комбинированный спин 1 может быть в трех возможных направлениях (по полю, против поля, в сторону). , как в реакции, которую изучал Шультен [102] Два неспаренных электрона в молекуле кислорода, которые держат два атома вместе, обычно находятся в триплетном состоянии. .

Вы наверняка знакомы с весьма сомнительными утверждениями о том, будто однояйцевые близнецы способны чувствовать эмоциональное состояние друг друга даже на большом расстоянии. Так или иначе, идея состоит в том, что близнецы соединены на психическом уровне, и это науке еще только предстоит понять. Аналогичные предположения были сделаны, чтобы объяснить, как собака чувствует, когда ее владелец приходит домой. Мы должны разъяснить, что ни один из этих примеров не имеет никакой научной ценности, хотя некоторые люди ошибочно пытались приписать им квантово-механическую природу. Тем не менее, хотя подобное «мгновенное действие на расстоянии» (как оно часто описывается) не имеет места в нашем повседневном классическом мире, это ключевая особенность мира квантовой механики. Его техническое название — «нелокальность», или «запутанность», и это имеет отношение к тому, что что-то, происходящее «здесь», может иметь мгновенный эффект «там» — независимо от того, как далеко это самое «там» находится.