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

Массачусетский технологический институт, более известный как МТИ, является одним из мировых научных центров. Он был основан в 1861 году в Кембридже, штат Массачусетс. Из тысячи его нынешних профессоров девятеро являются лауреатами Нобелевской премии (данные за 2014 год). Среди его студентов были астронавты (в трети космических полетов НАСА участвовали выпускники МТИ), политики (в том числе Кофи Аннан, бывший Генеральный секретарь ООН, лауреат Нобелевской премии мира за 2001 год), предприниматели (например, Уильям Реддингтон Хьюлетт, соучредитель компании «Хьюлетт-Паккард») и, конечно, многие ученые, среди которых — создатель квантовой электродинамики, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Однако самым известным обитателем института является вовсе не человек, а растение — яблоня, растущая в Президентском саду в тени купола одного из корпусов МТИ. Она была отчеренкована от другого дерева, растущего в Королевском ботаническом саду в Англии, прямого потомка той самой яблони, под которой, предположительно, сидел Исаак Ньютон и наблюдал падение знаменитого яблока.

Сидя под деревом на ферме своей матери в Линкольншире, Ньютон задавался одновременно простым и сложным вопросом: почему яблоки падают? Нелепо будет предположить, что ответ Ньютона на этот вопрос, перевернувший физику и всю науку в целом, мог быть неправильным. Но у этой знаменитой сцены есть один аспект, ускользнувший от внимания Ньютона и остававшийся незамеченным до сих пор: что вообще яблоко делало на дереве? Если ускоренное падение яблока на землю так озадачило ученого, то насколько более непонятным было соединение воздуха и воды Линкольншира с образованием сферического предмета на ветвях дерева? Почему Ньютон заинтересовался сравнительно тривиальной причиной воздействия земного притяжения на яблоко и не заметил совершенно непостижимую загадку первичного образования плода?

Одной из причин, объясняющих недостаток любопытства Ньютона, было общепринятое в XVII веке мнение о том, что, несмотря на основанную на законах физики механистичность всех объектов, включая живые существа, их собственная внутренняя динамика (и та, что обеспечивает рост яблок) приводится в движение жизненной силой, или élan vital, исходящей из сверхъестественного источника, не поддающегося сухим математическим уравнениям. Но, как мы уже знаем, витализм не устоял перед последующими открытиями в области биологии, генетики, биохимии и молекулярной биологии. Ни один серьезный ученый сегодня не сомневается, что жизнь объяснима с научной стороны; но остается открытым вопрос, какая наука может предоставить тому доказательство. Несмотря на альтернативные заявления таких ученых, как Шредингер, большинство биологов все еще опираются на классические законы, в которых ньютоновские силы воздействуют на шаростержневые биомолекулы, чье поведение напоминает, скажем так, поведение шаров и стержней. Даже Ричард Фейнман, один из последователей Шредингера, описывал фотосинтез (в отрывке, представленном в начале главы) в строго классических терминах, например «солнечный свет падает и отрывает кислород от углерода», словно свет — это клюшка для гольфа, способная ударить по кислородному шару и оторвать его от молекулы углеводорода.

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]. 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».