Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Давайте рассмотрим пару игральных кубиков. Математическую вероятность выбросить два раза одно и то же число легко посчитать. Для любой грани, на которую приземляется кубик, вероятность выпасть составляет 1 к 6, такова же вероятность, что еще раз выпадет та же грань. Например, вероятность того, что выпадет четверка, — 1 к 6, а шансы выбросить две четверки — 1 к 36 (1/6 × 1/6 = 1/36). Вероятность такая же для любой пары чисел, любого дубля. И путем умножения 1/6 на 1/6 десять раз достаточно легко вычислить, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд (будь это, к примеру, две четверки, затем две единицы и т. д.) составляет около 1 к 60 миллионам! Это означает, что если каждый человек в Великобритании бросит пару кубиков десять раз подряд, то, по статистике, только одному будет удаваться выбрасывать все дубли.

Но представьте, что у вас есть пара кубиков, которые всегда приземляются на одну и ту же грань, когда их бросают вместе. Сама выпавшая грань остается случайной и, как правило, меняется при каждом броске, но в конечном счете на обоих кубиках всегда выпадает одна и та же грань. Очевидно, тут логично заподозрить какой-то трюк. Возможно, у этих кубиков есть сложный внутренний механизм, который управляет их движением так, чтобы они приземлялись на одинаковые грани в соответствии с запрограммированной последовательностью? Чтобы проверить эту теорию, вы можете начать бросать сначала один кубик, держа другой, а после этого бросаете пару. Теперь любая предварительно запрограммированная последовательность должна сбиться, а трюк должен перестать работать. Но, несмотря на эту стратегию, кубики продолжают и продолжают приземляться на одинаковые грани.

Другое возможное объяснение — это то, что кубики должны каким-то образом синхронизироваться перед каждым броском, обмениваясь сигналом на расстоянии. Хотя такой механизм представляется довольно сложным, его по крайней мере можно в принципе себе представить. Тем не менее любой подобный механизм должен иметь ограничение, налагаемое теорией относительности Эйнштейна, согласно которой ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света. Это дает вам средства для проверки, проходит ли вообще какой-то сигнал между кубиками: все, что вам нужно сделать, — это разнести кубики достаточно далеко друг от друга, так, чтобы времени для прохождения любого сигнала между бросками и их синхронизации просто не хватало. Давайте представим тот же трюк, что и выше, но организуем дело так, что один кубик будет брошен на Земле, а другой — в то же время на Марсе. Даже на самом близком расстоянии свет летит от Земли до Марса четыре минуты, так что вы понимаете: любой сигнал синхронизации должен иметь аналогичную задержку. Чтобы исключить этот фактор, вам просто следует бросать два кубика с интервалом менее четырех минут. Это должно помешать любому сигналу между бросками. Если они будут продолжать падать на одинаковую грань, то, по всей видимости, должна быть какая-то тесная связь между ними, которая игнорирует известное ограничение Эйнштейна.

Хотя описанный выше эксперимент не проводился с кубиками на разных планетах, аналогичные опыты были проделаны с квантово-запутанными частицами на Земле, и результаты показали, что отделенные частицы могут совершать такие же чудеса, как и наши кубики: их состояние коррелирует независимо от расстояния между ними. Эта удивительная особенность квантового мира, похоже, игнорирует ограничение скорости Эйнштейна, одна частица мгновенно воздействует на другую, как бы далеко друг от друга они ни находились. Термин «запутанность» для описания этого явления придумал Шредингер, который, как и сам Эйнштейн, не был поклонником того, что Эйнштейн назвал «ужасным действием на расстоянии». Но, несмотря на их скептицизм, квантовая запутанность была доказана во многих экспериментах и является одной из самых фундаментальных идей в квантовой механике, со многими следствиями и примерами в физике и химии — и, как мы увидим позже, возможно, в биологии тоже.

Чтобы понять, как квантовая запутанность связана с биологией, мы должны объединить две идеи. Первая идея — это наличие мгновенной связи между двумя частицами через пространство (запутанности). Вторая — способность одиночной квантовой частицы быть в суперпозиции в двух или более различных состояниях сразу: например, электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, тогда мы говорим, что он в суперпозиции состояний по полю и против поля. Мы объединяем эти две идеи, когда имеем два запутанных электрона в атоме, каждый — в суперпозиции двух спиновых состояний. Хотя ни один электрон не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона и сам испытывает обратное влияние. Но надо помнить, что пары электронов в одном атоме всегда находятся в синглетном состоянии, а это означает, что они должны иметь противоположные спины в любой момент времени: один должен быть по полю, а другой — против поля. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, в странном квантовом мире они должны в любой момент времени иметь противоположные спины.

Теперь давайте разделим два запутанных электрона, чтобы они больше не находились в одном атоме. Если мы затем решим измерить спиновое состояние одного электрона, мы заставим его выбрать, в какую сторону вращаться. Скажем, мы измерили, что это спин по полю. Поскольку электроны были в запутанном синглетном спиновом состоянии, это означает, что другой электрон должен теперь иметь спин против поля. Но вспомните, что перед измерением они оба были в суперпозиции двух состояний. После измерения оба имеют различные состояния: один из них по полю, другой — против. Таким образом, второй электрон мгновенно и дистанционно изменил свое физическое состояние с суперпозиции на вращение в одном направлении (по полю) без контакта. Все, что мы сделали, — это измерили состояние его «напарника». И, в принципе, не имеет значения, как далеко находится второй электрон — он может быть на другом конце Вселенной, и эффект будет тот же: измерение лишь одного из пары запутанных электронов сразу же разрушит суперпозицию второго, как бы далеко он ни находился.

Вот вам полезная аналогия, которая может помочь в понимании того, о чем мы тут говорим (хоть немножко!). Представьте себе пару перчаток, каждая из которых находится в запечатанной коробке, а расстояние между коробками — многие километры. В вашем распоряжении оказывается одна из этих коробок, и, прежде чем вы ее откроете, вы не узнаете, какая именно перчатка там лежит — левая или правая. Как только вы откроете коробку и узнаете, что там, например, правая перчатка, вы тут же поймете, что в другой коробке — левая, независимо от того, как далеко другая коробка находится. Здесь важно то, что не изменилось ничего, кроме ваших знаний. Во второй коробке всегда лежала левая перчатка, это не зависит от того, решились вы открыть свою коробку или нет.