Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Квантовая механика кажется нам очень странной, поскольку мы не можем увидеть ее проявления в наблюдаемом мире. Более того, их воздействие обычно ограничено мельчайшими составляющими вещества, лежащими за пределами наших чувств, например электронами или атомами. А когда триллионы микроскопических частиц собираются вместе внутри больших объемных объектов, вся квантовая таинственность как бы смывается последовательными колебаниями молекул, или шумом.

Вот почему ученым приходится исследовать квантовые явления в разреженных лабораторных условиях. Они должны охлаждать все до абсолютного нуля, выкачивать весь воздух и ограждать свои опыты от любых посторонних вибраций. Только тогда они смогут обнаружить тонкие квантовые явления.

Жизнь – горячая, беспорядочная и сложная. Она идет внутри органических клеток, полных толкающихся частиц, которые порождают какофонию молекулярных шумов. Складывается впечатление, будто последнее, что там можно было бы найти, – это квантовая механика. Тем не менее в последние годы становится все яснее, что квантовое поведение проявляется и внутри живых клеток. Возможно, оно объяснит фотосинтез, работу энзимов, как ориентируются в пространстве птицы и даже как работает ДНК. Кажется, жизнь эволюционировала для использования таинственности квантовой механики, чтобы не дать нам умереть.

Да будет свет: фотосинтез

Фотосинтез – одна из самых важных для жизни химических реакций. Он использует энергию солнечного света, чтобы создать биологические строительные блоки, но его необычайную эффективность трудно объяснить.

Первый этап фотосинтеза – это захват фотона света электроном на внешней оболочке атома магния внутри молекулы пигмента хлорофилла. Дополнительная энергия заставляет электрон колебаться, образовывая нечто, называемое экситоном.

Следующий шаг – это перенос электрона к центру реакций, где захваченная световая энергия может быть превращена в химическую энергию. Этот процесс должен пройти очень быстро, иначе световая энергия будет утеряна. Но чтобы найди центр реакций, экситон должен пересечь лес молекул пигмента, где его энергия, скорее всего, пропадет. Но измерения показывают, что перенос экситонов имеет самую высокую эффективность из всех реакций переноса энергии, близкую при оптимальных условиях к 100%. Этот уровень эффективности трудно объяснить, применяя только классическую физику.

Что происходит? В 2007 году Грег Энгель, сейчас работающий в Чикагском университете, проводил эксперименты, где луч лазера направляли на фотосинтезирующую систему бактерии. В ответ он получил что-то вроде светового эха. Необычным здесь было то, что эхо возвращалось биениями. Эти «биения» были знаком квантового поведения и продемонстрировали, что экситон шел не по одному конкретному маршруту через фотосистему, а собирал все возможные маршруты, распространяясь к центру реакций как квантовая волна. Это стало первым прямым свидетельством того, что в основе фотосинтеза лежит квантово-механический процесс. С тех пор квантовая когерентность была обнаружена во многих бактериальных и растительных фотосистемах и оказалась фундаментальной особенностью захвата световой энергии растениями и микробами. Примечательно, что эти хрупкие состояния сохраняются даже при окружающих температурах – особенность, вызывающая как интерес, так и зависть у разработчиков квантовых компьютеров, которым обычно приходится производить свои вычисления при температурах, близких к абсолютному нулю.

Квантовый компас: магниторецепция

Самым известным предлагаемым примером квантовой биологии является система навигации зарянки (см. рис. 6.1). Каждую зиму эта птица улетает на юг, подальше от замерзающего севера; чтобы помочь себе ориентироваться, она использует особый тип встроенного компаса, который может измерять угол между магнитным полем Земли и ее поверхностью.

Рис. 6.1. Зарянка (Erithacus rubecula) в полете. В миграции зарянкам, возможно, помогает квантовый компас.

Как работает этот «угловой компас»? В 2000 году у Торстена Ритца из Калифорнийского университета возникла идея, что этот процесс может зависеть от специфических особенностей квантовой запутанности. Когда две запутанные частицы имеют электрические заряды, они могут измерять угол между отрезком, их соединяющим, и магнитным полем Земли. Ритц предложил модель птичьей магниторецепции: свет создает пару запутанных частиц в глазу зарянки, которые становятся компасом, способным измерять угол наклона магнитного поля Земли. Согласно одному из предсказаний этой теории, компас, основанный на квантовой запутанности, разрушается высокочастотными радиоволнами – те же результаты продемонстрировали и тесты.

Это не доказывает, что компас зарянки имеет квантово-механическую природу, но до сих пор никто так и не смог дать альтернативное объяснение результатам экспериментов Ритца.

Осуществление: энзимы

Энзимы – это двигатели жизни. Они управляют электронами, протонами, атомами и молекулами, и именно им мы обязаны созданием каждой биомолекулы в наших телах. Энзимы обладают поразительными каталитическими свойствами, которые ускоряют протекание химических реакций в 10²⁰ раз. Если бы подобный толчок придавался вашей ходьбе, то вы могли бы перепрыгнуть в другую галактику.

Как и в случае с фотосинтезом, трудно объяснить это поразительное ускорение одними классическими законами. Однако сегодня становится ясно, что такое громадное химическое ускорение энзимы достигают управлением квантово-механической природой вещества – ключевое место в этой цепочке занимает процесс, называемый квантовым туннелированием. Во время его протекания частица может проходить через кажущийся непроницаемым барьер, используя свои волновые свойства, фактически дематериализуясь в одной точке пространства и материализуясь в другой, никак не взаимодействуя с любым из участков, находящихся между ними.

Если вернуться в 70-е годы XX века, то можно увидеть исследование, которое показало, что энзимы, вовлеченные в процесс дыхания, переносят электроны квантовым туннелированием. Этот процесс не вызывает удивления, ведь электроны достаточно малы для его осуществления, но более поздние исследования показали, что энзимы также содействуют «перескакиванию» гораздо более массивных протонов из одного атома в другой – тоже в результате квантового туннелирования. Так что вполне возможно, что и наши тела существуют в квантовом мире.

Что-то пахучее: обоняние

Наше чувство обоняния необычайно сильно. Оно может детектировать мельчайшее содержание химических веществ, даже отдельные молекулы. При этом обоняние удивительно избирательно и позволяет нам различать тысячи запахов. Но как оно работает?

Классическое объяснение состоит в том, что оно работает с помощью своего рода механизма замков и ключей. Молекула пахучего вещества летит по воздуху и захватывается белком обонятельного рецептора в носу. Считается, что молекулы пахучего вещества и рецептора подбираются друг к другу как ключ к замку. Но в этой теории довольно много белых пятен, например тот факт, что пахучие молекулы почти одинаковой формы, фактически представляющие собой набор одинаковых ключей, часто воспринимаются как совершенно разные запахи. И наоборот, молекулы совершенно разной формы часто пахнут одинаково. Химик Малкольм Дайсон разработал в 20-е годы XX века альтернативную теорию, в которой предположил, что детектируется не форма пахучих молекул, а их колебания.

Но тогда не было возможности узнать, как работал бы в носу детектор молекулярных колебаний. Гораздо позже, в 90-е годы XX века, биохимик Лука Турин предположил, что нос использует детектор колебаний, работающий на квантовом туннелировании. Теория предсказала, что пахучие вещества, состоящие из разных изотопов химических элементов, будут пахнуть по-разному. Эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что плодовые мушки на самом деле различают пахучие вещества с разными изотопами, как и было предсказано теорией.

Записано в коде: мутации ДНК

Может ли квантовая механика быть одним из инструментов эволюции? Этот вопрос уже несколько лет интересует двух сотрудников Университета Суррея – биолога Джонджо Макфаддена и физика Джима Аль-Халили.

Эволюция работает через создание вариаций в цепочке ДНК посредством мутаций. Фактически неправильное звено вставляется в молекулу ДНК во время ее репликации. Затем естественный отбор берет на себя фильтрацию полезных мутаций.

В основе двуспиральной структуры молекулы ДНК лежат водородные связи, удерживающие спирали вместе и основанные на отдельных протонах, поделенных между парами звеньев двойной спирали. Это означает, что молекула ДНК, этот схематический план жизни, написана на языке квантовой механики. В 70-е годы XX века шведский физик Пер-Олаф Лоудин предположил, что квантовое туннелирование кодирующих протонов может стимулировать мутации в ДНК. Множество проведенных исследований показало, что теоретически это осуществимо; но до сих пор никто не реализовал этот механизм на практике.

Где мы окажемся?

Случайный молекулярный шум обычно разрушает квантовые эффекты в неживых системах. Как тогда они выживают в горячих, сырых и к тому же живых клетках с молекулярным шумом? Одной из наиболее удивительных и интригующих особенностей квантовой биологии является то, что жизнь, кажется, обнаружила способы использования молекулярного шума для поддержания, а не разрушения квантовой когерентности. Это на самом деле может быть одним из фундаментальных атрибутов жизни. Благодаря молекулярному шуму жизнь может существовать на границе между квантовым и классическим мирами.

Использует ли мозг квантовую механику? С одной стороны, конечно, да. Мозг состоит из атомов, а атомы подчиняются законам квантовой физики. Но как быть со смежным вопросом о том, могут ли странные свойства квантовых объектов – нахождение в двух местах одновременно, внешне мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии и т. д. – объяснить все еще до конца не изученные аспекты познавательной способности человека? Это, оказывается, и в самом деле довольно спорный вопрос.

Главное возражение исходит от «бритвы Оккама» – утверждения, что наилучшее объяснение обычно самое простое. С этой точки зрения нынешние неквантовые идеи о работе мозга прекрасно справляются со всеми вопросами, и у нас нет необходимости прибегать к квантовой физике для объяснения познания. Однако физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) в этом не так уверен и указывает на то, что имеющиеся представления о воспоминаниях отнюдь не безупречны. Например, они хранятся в архитектуре нейронных сетей или в соединениях между нейронами? Почему бы не поискать квантовые объяснения получше?

Возможно, все дело в том, что где-то мы это уже видели. В 1989 году Роджер Пенроуз, математик из Оксфордского университета, предположил, что никакая стандартная классическая модель вычислений не сможет объяснить, как мозг порождает мышление и сознательный опыт. Его идея заинтриговала многих, особенно работающего в Университете штата Аризона анастезиолога Стюарта Хамероффа, предложившего особый способ вовлечения квантовых эффектов.

Одновременные ответы

Суть этой идеи коренилась в микротрубочках – белковых трубках, составляющих скелет нейронов, – использующих квантовые эффекты, чтобы одновременно существовать в «суперпозициях» двух разных форм. Каждая из этих форм равносильна биту классической информации, так что этот меняющий форму квантовый бит, или кубит, может хранить в два раза больше информации, чем его классический аналог.

Добавьте в эту смесь запутанность – квантовую особенность, позволяющую состояниям кубитов оставаться переплетенными, даже когда они не находятся в контакте, – и вы сможете быстро собрать квантовый компьютер, способный гораздо эффективнее взаимодействовать с информацией, чем любой классический. Фактически Пенроуз предположил, что именно принцип, по которому такой компьютер может приходить к нескольким ответам одновременно и комбинировать эти ответы разными способами, как раз объяснит исключительный талант мозга (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Принцип работы квантового компьютера сравнивают с принципом работы мозга.

Пенроуз и Хамерофф совместно работали над этой идеей: они, как и некоторые другие ученые, одно время считали ее разумной. Но вскоре начали появляться проколы. С точки зрения физика самой фундаментальной проблемой было время когерентности. Суперпозиция, как и запутанность, является чрезвычайно хрупким явлением. Представьте себе живую пирамиду из каскадеров, проезжающих по высокому канату на одноколесном велосипеде, и вы поймете, о чем идет речь. Малейший дисбаланс – и пирамида рассыпается. Если говорить о квантовой системе, то она будет «декогерировать» к классическому состоянию при возмущении теплотой, механическими колебаниями или чем-то еще. Информация, хранящаяся в квантовых состояниях, в результате чаще всего рассеивается в окружающую среду.

В течение двух десятилетий эта проблема препятствовала попыткам физиков, включая Фишера, сконструировать квантовый компьютер хоть сколько-то значительного размера. Даже при криогенном охлаждении и механической изоляции сложно поддерживать когерентность сетей из кубитов достаточно долго, чтобы сделать что-то, превосходящее возможности классических компьютеров. В теплом сыром мозге с его бульоном из подрагивающих, толкающихся молекул это становится почти невозможным. Нейроны удерживают информацию всего несколько микросекунд во время ее обработки, но вычисления показывают, что суперпозиции микротрубочек будут длиться всего лишь от 10^–13 до 10^–10 секунд.

Эволюция

Фишер, как и многие другие, разделял этот скептицизм. Но вместе с тем он размышлял, не было бы ли странным, что эволюция это просто не проработала? У нее были миллиарды лет, чтобы «открыть» квантовую механику, к тому же изящный молекулярный механизм позволяет жизни ее использовать. Даже если электрические импульсы, идущие по нейронам внутри мозга, – что хорошо описывается классической физикой – являются непосредственной основой мышления и памяти, спрятанный квантовый уровень может определять, в частности, как эти нейроны связываются друг с другом и срабатывают.

Личный интерес к теме возник у Фишера довольно опосредованно, когда он размышлял над устойчивостью психических расстройств близких ему людей и над эффективностью лекарств, используемых для их лечения. Изначально предметом интереса Фишера был литий – ингредиент многих стабилизаторов настроения. Изучая научную литературу, он наткнулся на один подробный доклад 1986 года, который заставил его задуматься. В этом документе был описан опыт, в котором крысы получали один из двух устойчивых изотопов лития – литий-6 и литий-7. Когда наступала пора ухаживаний, заботы о крысятах, постройки жилища и других мероприятий брачного сезона, получившие литий-6 были гораздо активнее, чем их соплеменники из контрольной группы или накормленные литием-7.

Именно эта статья навела Фишера на мысль, что, возможно, настало время вновь обратиться к столь волнующей его проблеме квантового сознания. Все атомные ядра, как и составляющие их фундаментальные частицы, имеют квантово-механическое свойство, называемое спином. Грубо говоря, спин является количественной мерой того, насколько ядро «чувствует» электрические и магнитные поля: чем больше спин, тем сильнее взаимодействие. Ядро с минимально возможным значением спина 1/2 практически не чувствует электрическое поле и очень слабо взаимодействует с магнитным. В окружающей среде вроде мозга, где электрические поля изобилуют, ядра со спином 1/2 будут странно изолированы от возмущений.

Дело в спине

Ядра со спином 1/2 не часто встречаются в природе, и вот в чем дело. Значение спина лития-6 равно 1, но известно, что в химической среде, наподобие мозга или соляного раствора в воде, наличие дополнительных протонов молекул воды заставляет литий-6 вести себя как ядро со спином 1/2. Опыты, проведенные еще в 70-е годы XX века, отметили, что ядра лития-6 могут удерживать свой спин в течение аж пяти минут. Если есть элемент квантового контроля над операциями мозга, рассуждал Фишер, то успокаивающие эффекты лития могут быть связаны с внедрением этих необычайно когерентных ядер в химию мозга.

И это еще не все. Литий-6 не встречается в мозге в естественных условиях, но одно ядро со спином 1/2 в нем все же имеется и является активным участником многих биохимических реакций – это фосфор.

После изнурительных вычислений времени когерентности различных молекул с фосфором в биологических средах Фишер публично заявил, что нашел кандидата в кубиты – это структура с фосфатом кальция, известная как молекула Познера, или кластер Познера. В 1975 году она была обнаружена в костной ткани, а также плавала около нее, когда искусственно созданную биологическую жидкость – то есть воду с добавлением биологических молекул и минеральных солей – подготавливали в лаборатории.

Измерив время когерентности для этих молекул, Фишер получил результат в колоссальные 10⁵ секунд – целые сутки. Он также определил по крайней мере одну химическую реакцию в мозге, которая, по его мнению, будет производить запутанные, когерентные состояния ядерных спинов внутри молекулы Познера. Этот процесс также участвует в поглощении кальция и метаболизме жиров, который использует энзим под называнием «пирофосфатаза». Данный энзим разрушает структуру, состоящую из двух ионов фосфата, производя два отдельных иона. Теоретически ядерные спины по крайней мере в этих двух ионах должны быть квантово запутанными. Выпустите их в жидкость, окружающую клетки, и они смогут соединяться с ионами кальция, образуя молекулы Познера.

Если все выполнено верно, внеклеточная жидкость мозга может быть заполнена сложными кластерами высокозапутанных молекул Познера. Как только они попадают внутрь нейронов, эти молекулы могут начать менять характер сигнала и ответа клеток, начиная формировать мысли и воспоминания (см. рис. 6.3).

Рис. 6.3. Кластеры Познера, которые, как считается, имеются в мозге и содержат шесть атомов фосфора, спиновые состояния которых могут быть квантово-запутанными – возможно, именно они влияют на наше мышление и запоминание.

Фишер опубликовал подробности своего исследования в журнале «Анналы физики» в 2015 году. Существенная часть данных, признает он, еще не проходила должную проверку. Целью первого испытания будет выяснить, существуют ли молекулы в реальных внеклеточных жидкостях. Если да, то могут ли они быть запутанными? И это всего лишь один из множества спорных вопросов в этой области.

Сознание

Пенроуз – что вполне предсказуемо – по-прежнему увлечен этой идеей. Однако ему все еще импонирует его гипотеза микротрубочек, а новое предположение кажется всего-навсего дополнением, допускающим долговременную память. С точки зрения Пенроуза, сознание связано с гравитацией, действующей на квантовые состояния и тем самым вызывающей их декогеренцию; микротрубочки гораздо тяжелее ядер, а значит, являются более вероятной причиной этого взаимодействия, говорит он.

Вопросы продолжают поступать. Может ли причиной потери памяти после удара по голове стать декогеренция, к которой он привел? Является ли ядерный спин условием, допускающим изменение состояния мозга трансчерепной магнитной стимуляцией, запускающей магнитное поле по мозгу?