«Расплата, если это правда, огромна»

Я разговаривал по телефону с профессором физики, писателем и телеведущим Джимом Аль-Халили семь минут и восемь секунд, прежде чем понял, что чудовищно не в себе. Это была проблема, так как мне оставалось еще 18 минут. «Поэтому, если вы видите эффект, вызванный квантовым туннелированием, и заменяете водород дейтерием, — объясняет он, — вы можете определить, происходит ли квантовое туннелирование или нет, поскольку вы увидите, что эффект снижается, когда вы удваиваете массу частица».

Не закрывайте страницу! Со временем все обретет смысл – это специализация Аль-Халили. По его собственным словам, ему нравится «доставлять людям головную боль», прежде чем увидеть, как люди переживают момент мини-Эврики в выбранной им области знаний: квантовой физике.

Итак, давайте вернемся. Аль-Халили говорит о квантовой биологии: увлекательной области науки, которую по множеству причин трудно исследовать. Перед звонком – предварительное краткое интервью перед выступлением на Новый учёный в прямом эфире – Я смотрел его выступление на TED два года назад о квантовой биологии. Я вложил видео ниже, если вы хотите, чтобы он рассказал его собственными словами, но главный вывод таков: безумные вещи, которые происходят на субатомном уровне – частицы существуют более чем в одном месте одновременно (суперпозиции). или возможность пройти через непроницаемый барьер (квантовое туннелирование) – похоже, происходит внутри наших клеток. Другими словами, квантовая проблема больше не является предметом беспокойства физиков: это также проблема биологов.

Приведу три примера из приведенного выше выступления: квантовое туннелирование, похоже, играет роль в мутациях ДНК; фотоны следовать нескольким путям фотосинтеза с квантовой когерентностью; и даже Говорят, что малиновки используют квантовую запутанность сетчатки для навигации.основанный на магнитном поле Земли.

«Аль-Халили утверждает, что за это стоит бороться. А может и не быть — можно вывести человека из квантовой физики, но нельзя вывести квантовую физику из человека».

Люди знали, что это возможно, на протяжении десятилетий, но прогресс идет медленно по ряду причин: главная из них — тот факт, что эксперименты по квантовой физике, как известно, очень трудно проводить. Их можно, как объясняет Аль-Халили, «уничтожить, просто взглянув на них», и это в строго контролируемой среде, без того мягкого беспорядка, который привносят в процесс живые клетки. «Сейчас большой вопрос заключается в том, чтобы понять, как жизнь может поддерживать эти квантовые эффекты в биологических временных масштабах, когда внутри живой клетки все так шумно, турбулентно, тепло и сложно», — объясняет он.

«Физики очень усердно работают, пытаясь изолировать эти квантовые эффекты, проводя свои эксперименты в вакууме при нулевой температуре, изолируя свои инструменты от окружающей среды, и, тем не менее, это довольно неуловимо».

Следующий вопрос заключается в том, что эти вопросы почти полностью были прерогативой физиков в прошлом столетии. Это требует сотрудничества между различными дисциплинами, что является, мягко говоря, непростой задачей.

«Физики скажут вам: «Зачем углубляться в беспорядочный мир биологии, если, если бы это было так просто, мы бы уже создали квантовые компьютеры?» Мы очень усердно работаем над тем, чтобы все контролировать, и все еще находим квантовые эффекты призрачными», — говорит Аль-Халили. «А биологи скажут: «Квантовая механика?» Не в моей лаборатории, приятель, спасибо тебе большое. А химики скажут: «Что за шум?» Все квантово, все равно все химия, что тебя так волнует?»

Однако самым большим препятствием, которое необходимо преодолеть, является сопротивление биологов, считает Аль-Халили. «Они будут этому сопротивляться. Они скажут: «Нам не приходилось использовать квантовую физику с момента зарождения генетики и молекулярной биологии, не говорите нам, что теперь нам нужно изучать всю эту чепуху о кошках в коробках и тому подобном». Я не могу сказать. что я виню их.

Аль-Халили утверждает, что за это стоит бороться. А может и не быть – можно вывести человека из квантовой физики, но нельзя вывести квантовую физику из человека.

Почему квантовая биология важна?

«Часть проблемы в том, что даже те из нас, кто здесь работает, не готовы на 100%», — говорит он. «Мы не евангельски проповедуем, что это следующий большой прорыв в науке – вполне возможно, что это не так.

«Это вполне может оказаться отвлекающим маневром. Но это достаточно интересно и захватывающе, что, каким бы спекулятивным оно ни было, его стоит развивать – даже чтобы его исключить. Потому что расплата, если это правда, велика».

Насколько большой? У Аль-Халили есть две основные причины, почему он посвятил так много своей жизни популяризации этого дела. Во-первых, потому что это означает, что некоторые из важных ответов квантовой физики могут быть почти буквально у нас под носом. «Если мы разрабатываем датчики и новые квантовые технологии – пытаемся построить квантовый компьютер. Что ж, если жизнь решила эти проблемы, возможно, мы сможем чему-то научиться, что нам поможет».

Но, возможно, что еще более важно, это может дать нам невообразимое до сих пор понимание того, что делает жизнь особенной: нечто настолько умозрительное, что трудно понять его конечный потенциал. «Пока нам не удалось создать искусственную жизнь – единственный способ создать жизнь – это другая жизнь», – объясняет он. «Что отличает живую систему от неодушевленной системы такой же сложности? Как живая система поддерживает такой высокий уровень порядка, чтобы продолжать свое существование?»

Но если квантовые эксперименты в физической лаборатории достаточно сложны, как начать решать их с помощью наших биологических инструментов? Возьмем, к примеру, упомянутых выше малиновок: как узнать, действительно ли сетчатка осуществляет квантовые реакции или нет? «Я не думаю, что это невозможно, но нам нужно проявить больше изобретательности», — говорит Аль-Халили. «Мы не можем узнать больше о квантовой запутанности, поместив птицу в лабораторию… мы можем проверить, чувствительна ли птица к магнитному полю, но мы ничего не узнаем о том, как она использует этот химический компас – для этого мы» вероятно, придется выделить белок и изучить его отдельно вне птицы. И, конечно же, тогда становится намного труднее сказать однозначно: «Да, вот что происходит, когда это происходит внутри сетчатки птицы».

Заставить публику полюбить физику

Если все это кажется запутанным: хорошо. Так и должно быть. Аль-Халили любит цитировать Нильса Бора, отца квантовой механики. кто однажды сказал: «Если вы думаете, что можете говорить о квантовой теории, не чувствуя головокружения, вы не поняли в ней самого главного».

Но Аль-Халили по образованию квантовый физик. Я спрашиваю, как ему удалось разобраться в биологии. «Вызов», — отвечает он. «Я занимаюсь ядерной физикой, поэтому, когда я говорю о квантовом туннелировании, я имею в виду альфа-распад, альфа-радиоактивность, туннелирование альфа-частиц из атомного ядра. Но уравнения те же самые, и они будут одинаковыми для квантового туннелирования в ДНК.

«Но все окружение, инфраструктура, окружающая среда, цифры, которые вы вводите, все это — биохимия для меня совершенно новая. Я пришел к выводу, что биохимия — самая трудная дисциплина в науке. Это слой за слоем «это, потому что это, из-за этого» – как работает фермент, или процесс фотосинтеза или метаболизма. Это настолько сложно, что по сравнению с ним квантовая механика кажется простой!»

«Я пришел к выводу, что биохимия — самая трудная дисциплина в науке».

Наверное, это именно то, к чему люди привыкли, и Аль-Халили провел последние 25 лет, делая квантовую физику (более) понятной для публики. Как ему это удалось? Частично он объясняет это естественным интеллектуальным любопытством людей, которые следят за его выступлениями и выступлениями на телевидении. «Отзывы, которые я получаю, заключаются в том, что зрители моих программ на BBC Four будут «заставлять меня чувствовать себя умным». Они хотят чего-то сложного для понимания, и люди понимают, что им не понять всех тонкостей без многолетнего обучения, но это нормально. Они хотят бросить вызов и выйти за рамки обыденности: это волшебно и загадочно».

Иногда это включает в себя поиск аналогий, которые вы, конечно, никогда не найдете в учебнике по естественным наукам. «Когда я говорю о квантовом туннелировании, когда частицы исчезают в одном месте и вновь появляются где-то в другом, это не имеет смысла», — говорит он.

«Но если я скажу, что это похоже на призрака, который может пройти сквозь твердую стену, люди начнут понимать. Это не совсем так, но примерно так и происходит. Частица — это тоже волна, а волна может просачиваться сквозь непроницаемые барьеры так, как не может твердая частица. Так что это похоже на то, как если бросить мяч в стену, и он никогда не сможет добраться до другой стороны, призрак может просочиться сквозь него».

Поиск аналогий по щелчку похож на момент «Эврики», который вы можете получить в лаборатории. «При живой аудитории по языку тела можно сказать, что что-то затронуло струну, и все: это становится частью моего арсенала, который я могу использовать в письменной форме, в выступлениях и на телевидении».

Возможности, скрытые в живых клетках, могут потребовать совершенно нового набора аналогий и правил для объяснения непрофессионалу, но нет никаких сомнений в том, что Аль-Халили воспользовался бы возможностью объяснить, что происходит. Хотя это действительно предполагает, что мы узнаем это в течение нашей жизни.

Программа New Scientist Live продлится до воскресенья в Центре ExCeL в Лондоне. Билеты доступны здесь.