Квантовый мир странный. В теории и в некоторой степени на практике его принципы требуют, чтобы частица могла оказаться в двух местах одновременно — парадоксальное явление, известное как суперпозиция. Не менее странным является то, что две частицы могут «запутаться», то есть их характеристики будут зависеть друг от друга вне зависимости от расстояния между ними.
Пожалуй, самым известным примером квантовой странности является кот Шредингера — мысленный эксперимент, проведенный Эрвином Шрёдингером в 1935 году. Австрийский физик представил, как кот, помещенный в ящик с потенциально летальным радиоактивным веществом, должен быть и жив, и мертв одновременно — по крайней мере до тех пор, пока ящик не откроется и его содержимое не будет обнаружено.
Эта концепция была экспериментально подтверждена бесчисленное количество раз в квантовых масштабах. Тем не менее, масштабированные до нашего, казалось бы, более простого макроскопического мира все рушит. Никто никогда не видел звезду, планету или кошку в суперпозиции или состоянии квантовой запутанности. Но с момента первоначальной формулировки квантовой теории в начале 20-го века ученые задавались вопросом, где именно пересекаются микроскопические и макроскопические миры. Насколько велика может быть квантовая область, и может ли она когда-либо стать достаточно большой для того, чтобы ее самые странные аспекты оказывали непосредственное влияние на живых существ? На протяжении последних двух десятилетий новая наука — квантовая биологии — искала ответ этот вопрос, предлагая и проводя эксперименты над живыми организмами, которые должны были исследовать пределы квантовой теории.
Эти эксперименты уже дали дразнящие, но неубедительные результаты. В начале этого года, например, исследователи показали процесс фотосинтеза, при котором организмы производят пищу с использованием света, который может иметь некоторые квантовые эффекты. Изучение того, как ориентируются птицы или как мы чувствуем запахи также предполагает, что квантовые эффекты могут проходить необычным образом в живых существах. Но это лишь приоткрывает завесу тайны над квантовым миром. До сих пор никто не сумел ввести весь живой организм — даже простейшую одну клетчатую бактерию — в состояние суперпозиции или запутать его с другой частицей.
Однако недавно группа исследователей из Оксфордского университета сообщила об успешном запутывании бактерий с фотонами — частицами света. В статье квантового физика Киары Марлетто, опубликованной в октябре в журнале Physics Communications, был проведен анализ эксперимента, совершенного в 2016 году Дэвидом Коулсом из Университета Шеффилда и его коллегами. В этом эксперименте Коулс с коллегами поместили несколько сотен фотосинтезирующих зеленых серобактерий между двумя зеркалами, постепенно сокращая зазор между ними до нескольких сотен нанометров — меньше, чем толщина человеческого волоса. Пустив белый свет между зеркалами, исследователи надеялись заставить фотосинтезирующие молекулы внутри бактерий взаимодействовать с фотонами. Эксперимент оказался успешным — около 6 бактерий запутались с фотонами.
Марлетто и ее коллеги утверждают, что бактерии сделали больше, чем просто пары с фотонами. В своем анализе они демонстрируют, что сигнатура энергии, полученная в эксперименте, может быть совместима с фотосинтезирующими системами бактерий, запутавшимися со светом в полости. По сути, кажется, что некоторые фотоны одновременно пролетали мимо и взаимодействовали с фотосинтезирующими молекулами в бактериях — явный признак запутывания. «Наши модели показывают, что это регистрируемое явление является признаком запутанности между светом и определенными степенями свободы внутри бактерий», — говорит она.
По словам соавтора исследования Тристана Фарроу, также физика из Оксфордского университета, это первый раз, когда такой эффект был замечен в живом организме. «Безусловно, это ключ к доказательству того, что мы приближаемся к идее «бактерии Шредингера» — говорит он. И это намекает на другой потенциальный случай естественно возникающей квантовой биологии: зеленые серобактерии обитают в глубинах океанов, где дефицит живительного света может даже стимулировать квантово-механические эволюционные адаптации для ускорения фотосинтеза.
Однако есть много оговорок к таким спорным утверждениям. Прежде всего, доказательства запутанности в этом эксперименте являются косвенными, зависящими от того, как интерпретировать свет, просачивающийся между или через бактерии, ограниченные полостью. Марлетто и ее коллеги признают, что классическая модель, свободная от квантовых эффектов, также может объяснить результаты эксперимента. Но, конечно, фотоны совсем не классические — они квантовые. И все же более реалистичная «квазиклассическая» модель, использующая законы Ньютона для бактерий и квантовые законы для фотонов, не может объяснить фактический результат, который Коулс и его коллеги наблюдали в своей лаборатории. Это указывает на то, что квантовые эффекты влияют и на фотоны, и на бактерии.
Другой нюанс: энергии бактерий и фотонов измерялись коллективно, а не независимо друг от друга. Этого, по словам Саймона Грёбрахера из Технологического Университета Делфта в Нидерландах, который не входил в группу исследователей, является своего рода ограничением. «Кажется, происходит что-то квантовое», — говорит он. «Но, обычно, если вы демонстрируете запутанность, то должны измерять обе системы независимо», чтобы подтвердить, что любая квантовая корреляция между ними является подлинной.
Конечно же, это шутка, но тем не менее она хорошо объясняет принцип квантовой суперпозиции.
Несмотря на эту неопределенность, для многих экспертов переход квантовой биологии от теоретической мечты к осязаемой реальности — вопрос времени. В отдельности и в совокупности молекулы за пределами биологических систем уже демонстрировали квантовые эффекты в течение десятилетий лабораторных экспериментов, поэтому поиск этих эффектов для подобных молекул внутри бактерии или даже наших собственных тел кажется достаточно разумным. Однако у людей и других крупных многоклеточных организмов такие молекулярные квантовые эффекты усредняются до незначительности, но их значимое проявление в гораздо более мелких бактериях не было бы слишком шокирующим.
Несколько исследовательских групп, в том числе возглавляемых Грёбрахером и Фарроу, надеются пойти еще дальше. Грёбрахер разработал эксперимент, суть которого — ввести живое существо, тихоходку, в состояние суперпозиции. Это гораздо сложнее, чем запутывание бактерий со светом, так как тихоходки в сотни раз больше. Фарроу рассматривает способы улучшения бактериального эксперимента: в следующем году он и его коллеги надеются запутать две бактерии вместе, а не с фотонами. «Долгосрочные цели являются основополагающими и фундаментальными», — говорит Фарроу. «Речь идет о понимании природы реальности и о том, имеют ли квантовые эффекты полезность в биологических процессах» — добавляет он. И самый главный вопрос заключается в том, играют ли квантовые эффекты роль в том, как работают живые существа.
К примеру, возможно, что «естественный отбор придумал способы для живых систем естественным образом использовать квантовые явления», — отмечает Марлетто: например, вышеупомянутый случай фотосинтеза бактерий в глубинах океанов с «легким голодом». Но, чтобы разобраться в этом, нужно начинать с малого. Исследования неуклонно продвигаются к экспериментам на макроуровне, и в одном из недавних экспериментов ученые успешно запутали миллионы атомов. Доказательство того, что молекулы, составляющие живые существа, проявляют значимые квантовые эффекты — даже для тривиальных целей — будет важным следующим шагом. Исследуя эту квантово-классическую границу, ученые могли бы приблизиться к пониманию того, что значит быть макроскопически квантовым — а это открывает множество возможностей, доселе невозможных.
