О «бактериях Шрёдингера»

Квантовый мир весьма странный. В теории, да и на практике, до определенной степени, принципы квантового мира требуют, чтобы частица могла оказываться в двух местах одновременно, — это парадоксальное явление известно как «суперпозиция» — и чтобы две частицы могли «запутываться», обмениваясь информацией через сколь угодно большие расстояния. Как именно — никто не знает в точности. С
амым известным примером странности квантового мира можно назвать кота Шрёдингера, мысленный эксперимент, проведенный Эрвином Шрёдингером в 1935 году.

Австрийский физик мысленно поместил кота в ящик с потенциально смертельным радиоактивным веществом. Странные законы квантовой механики позволяли коту существовать в суперпозиции двух состояний — одновременно живому и мертвому — по крайней мере, до тех пор, пока ящик не будет вскрыт и его содержимое — обнаружено.

Причуды квантового мира

При всей странности, эта концепция была экспериментально подтверждена бесчисленное количество раз в квантовых масштабах. Но при масштабировании до нашего, так сказать, более простого и понятного макроскопического мира, все меняется. Никто пока не видел звезду, планету или кота в суперпозиции или в состоянии квантовой запутанности. Но с тех пор, как квантовая теория была впервые сформулирована в начале 20 века, ученые задавались вопросом, где именно пересекаются микроскопический и макроскопический миры? Насколько большой может быть квантовая реальность и будет ли она когда-нибудь достаточно большой, чтобы ее самые странные аспекты можно было тесно увязать с живыми существами? В течение последних двух десятилетий появившаяся область квантовой биологии искала ответы на эти вопросы, предлагая и проводя эксперименты над живыми организмами, которые могли бы помочь нащупать пределы квантовой теории.
Эти эксперименты уже принесли интересные, но неубедительные результаты. В начале этого года, например, ученые показали, что процесс фотосинтеза — когда организмы производят пищу, используя свет, — может включать некоторые квантовые эффекты. Навигация птиц или наше обоняние также говорят о том, что квантовые эффекты могут проявляться у живых существ самым необычным образом. Но это лишь самый кончик айсберга квантового мира. До сих пор никому не удавалось заставить целый живой организм — даже не одноклеточную бактерию — проявить квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция.

И вот, новая работа ученых Оксфордского университета заставляет некоторых удивленно поднять брови: в ней они пишут, что им удалось успешно запутать бактерий с фотонами — частицами света. Исследование, проведенное квантовым физиком Кьярой Марлетто и опубликованное в октябре в Journal of Physics Communications, представляет собой анализ эксперимента, проведенного в 2016 году Дэвидом Коулсом из Университета Шеффилда и его коллегами. В том эксперименте Коулс и компания разместили несколько сотен фотосинтезирующих зеленых серных бактерий между двумя зеркалами, постепенно сокращая промежуток между зеркалами до нескольких сотен нанометров — меньше, чем ширина человеческого волоса. Пропуская белый свет через зеркала, ученые надеялись, что фотосинтетические молекулы в бактериях образуют пары — или будут взаимодействовать — с пустотой, то есть бактерии будут непрерывно поглощать, испускать и заново абсорбировать прыгающие фотоны. Эксперимент был успешным. Около шести бактерий образовали пары по этому признаку.
Марлетто и ее коллеги утверждают, что бактерии не только образовали пару с полостью. В своем анализе они продемонстрировали, что энергетические сигнатуры, полученные в ходе эксперимента, могут быть совместимы с фотосинтезирующими системами бактерий, запутанных со светом в полости. По сути, кажется, что некоторые фотоны одновременно поражали и пропускали фотосинтетические молекулы внутри бактериях — это было отличительным признаком запутывания.
«Наши модели показывают, что это явление можно считать сигнатурой запутанности между светом и определенными степенями свободы внутри бактерий», говорит она.
По словам соавтора исследования Тристана Фарроу, который также из Оксфорда, впервые это явление было замечено в живом организме. «Это определенно ключ к доказательству того, что мы каким-то образом движемся в сторону идеи «бактерий Шрёдингера», так сказать», говорит он. И это намекает на другой потенциальный случай проявления квантовой биологии в естественной среде: зеленые серобактерии обитают в глубоком океане, где дефицит живительного света может стимулировать квантово-механические эволюционные адаптации для разгона и поддержания фотосинтеза.
У таких спорных заявлений есть, впрочем, множество подводных камней. Прежде всего, доказательство запутывания в таком эксперименте будет косвенным, зависящим от того, как наблюдатель решает интерпретировать свет, протекающий сквозь и вытекающий из ограниченных полостью бактерий. Марлетто и ее коллеги признают, что классическая модель, свободная от квантовых эффектов, также могла бы объяснить результаты этого эксперимента. Но, конечно, фотоны не являются классическими вовсе — они квантовые. И все же более реалистичная «полуклассическая» модель, использующая законы Ньютона для бактерий и квантовые законы для фотонов, не может воспроизвести результаты, полученные Коулсом и его коллегами в лаборатории. Это указывает на то, что квантовые эффекты проявляются как для света, так и для бактерий.
Другой подводный камень: энергии бактерий и фотона измерялись совместно, а не по отдельности. Это, по словам Саймона Грёблахера из Технологического университета Делфта в Нидерландах, который не принимал участия в исследовании, является некоторым ограничением. «Может показаться, что происходит что-то на квантовом уровне», говорит он. «Но… обычно, когда мы демонстрируем запутанность, мы измеряем две системы независимо», чтобы подтвердить, что любые квантовые корреляции между ними будут подлинными.
Несмотря на эти неопределенности, для многих экспертов квантово-биологический переход от теоретической мечты к реальности, которую можно пощупать, это не вопрос возможности — это вопрос времени. По отдельности и коллективно молекулы за пределами биологических систем уже проявили квантовые эффекты в лабораторных экспериментах, проведенных за десятки лет, поэтому поиск этих эффектов среди молекул внутри бактерий или вообще наших тел кажется не лишенным смысла. В организмах людей и других многоклеточных существ, впрочем, такие молекулярные квантовые эффекты было бы трудно заметить, но у крошечных бактерий — почему бы и нет? «Это приятное открытие, хоть и ожидаемое», говорит Грёблахер. «Но оно определенно будет сюрпризом, если продемонстрировать его на примере реальной биологической системы».
Несколько исследовательских групп, возглавляемых в том числе Грёблахером и Фарроу, надеются разработать эти идеи еще больше. Грёблахер разработал эксперимент, который мог бы поместить крошечное животное — тихоходку — в состояние суперпозиции. Это будет намного сложнее, чем запутывание бактерий со светом из-за сравнительно большого размера тихоходок. Фарроу рассматривает способы улучшить эксперимент с бактериями; в следующем году он и его коллеги надеются запутать двух бактерий вместе, не трогая свет.
«Речь идет о понимании природы реальности и о том, имеют ли квантовые эффекты роль в биологических функциях. Глубоко в корне вещей все является квантовым».
Может быть так, например, что «естественный отбор придумал способы для живых систем естественным образом использовать квантовые явления», отмечает Марлетто, приводя в пример вышеупомянутый фотосинтез серобактерий в глубоком море. Но для этого нужно начинать с малого. В ходе недавнего эксперимента был успешно запутан миллион атомов. Конечно, это мизер даже по сравнению с бактериями. Но если подход снизу-вверх сработает, однажды нас ждет запутанные на макроскопическом уровне существа, предметы и даже люди.