Джонджо МакФадден - Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии

Больцман догадался, что подобным образом тепловые двигатели толкают настоящие паровые локомотивы – напомним, ученый жил в эпоху пара – вверх по настоящим склонам холмов. Молекулы воды внутри цилиндра паровой машины напоминают бильярдные шары, разлетевшиеся по столу после удара битком: их хаотичное движение ускоряется теплотой печи, молекулы сталкиваются друг с другом и с поршнем еще сильнее, заставляя поршень приводить в движение многочисленные валы, шестерни, цепи и колеса паровоза, направляя его вперед. Со времени открытия Больцмана прошло более 100 лет, но и сегодня ваш собственный автомобиль, работающий на бензине, приводится в действие точно таким же механизмом. Разница лишь в том, что пар заменили продукты сгорания топлива.

Примечательным аспектом термодинамики является тот факт, что вся эта наука сводится лишь к одной идее, изложенной выше. Упорядоченное движение, порождаемое любым тепловым двигателем, когда-либо построенным, возможно благодаря управлению хаотичным движением миллиардов атомов и молекул. В то же время законы термодинамики носят общий характер. Они применимы не только к созданию тепловых двигателей, но и к широкому кругу химических процессов и действуют каждый раз, когда горит уголь, ржавеет железный гвоздь, готовится пища, производится сталь, соль растворяется в воде, закипает чайник или ракета отправляется на Луну. Все эти химические процессы сопровождаются теплообменом и на молекулярном уровне подчиняются законам термодинамики, основанным на принципах хаотичного движения. К слову, почти все небиологические (то есть физические и химические) процессы, обусловливающие значимые перемены в нашем мире, управляются законами термодинамики. Морские течения, сильнейшие штормы, выветривание скал, лесные пожары, окисление металлов – все эти процессы протекают под воздействием неудержимых сил хаоса, которые изучает термодинамика. Каким бы структурированным и упорядоченным ни казался нам какой-либо сложный процесс, в его основе всегда лежит хаотичное движение молекул.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

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.