Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

В своих экспериментах в 1972 году Вильчко поместили птиц в защищенную от геомагнитного поля камеру и подвергли их воздействию искусственного магнитного поля. Что отличает этот эксперимент от предыдущих, так это то, что они поменяли полярность, повернув магнит на 180°, но это не оказало никакого влияния на поведение птиц: они ориентируются по отношению к ближайшему магнитному полюсу, каким бы он ни оказался, поэтому их чувствительность нельзя объяснять принципом обычного магнитного компаса. Исследование 1972 года показало, что магниторецепция малиновки работает по принципу инклинометра. Но как именно она работает, так и осталось загадкой.

Затем в 1974 году Вольфганг и Розвита были приглашены в Корнелльский университет в США американским экспертом по миграции птиц Стивом Эмленом. В 1960 году он разработал вместе со своим отцом Джоном, также весьма уважаемым орнитологом, специальную камеру для птиц, которая известна как воронка Эмлена[94]. Воронка имеет форму перевернутого конуса со штемпельной подушечкой на дне и промокательной бумагой на внутренних наклоненных сторонах (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Воронка Эмлена

Когда птица подпрыгивает или пытается взобраться по наклонной стенке, она оставляет видимые следы, которые дают информацию о предпочтительном направлении, в котором бы она полетела, если бы смогла выбраться. Среди видов птиц, которых изучали Вильчко в Корнельском университете, был индиговый овсянковый кардинал, небольшая североамериканская певчая птица, которая, как и европейская малиновка, мигрирует с помощью внутреннего компаса. Результаты годичного изучения поведения этой птички внутри воронки Эмлена были опубликованы в 1976 году[95]. Было установлено, что индиговый овсянковый кардинал, несомненно, как и малиновка, может обнаруживать геомагнитное поле. Вольфганг Вильчко считает, что эта первая публикация о корнельских исследованиях стала настоящим прорывом для его команды, потому что она развеяла все сомнения в том, что мигрирующие птицы имеют встроенный магнитный компас, и привлекла внимание многих ведущих орнитологов мира.

Конечно, никто в середине 1970-х годов не имел понятия, как именно работает биологический магнитный компас. Однако, как мы видели в главе 1, в том же году, в котором Вильчко и Стивен Эмлен опубликовали свою работу, немецкий химик Клаус Шультен предложил объяснение химического механизма, который связывает свет с магниторецепцией. Окончив Гарвард, Шультен с докторской степенью в области химической физики вернулся в Европу, где получил должность в Институте биофизической химии Макса Планка в Геттингене. Там он заинтересовался возможностью электронов, генерируемых в быстрой триплетной реакции под воздействием света, становиться квантово-запутанными. Его расчеты показали, что если запутанность действительно участвует в химических реакциях, то на скорость этих реакций должно влиять внешнее магнитное поле, и предложил способ доказательства своей теории.

Поскольку Шультен свободно говорил о своей новой идее, он заработал в Институте Макса Планка репутацию сумасшедшего. Его проблема заключалась в том, что он был физиком-теоретиком, который работал с бумагой, ручкой и компьютером, а не химиком. Не будучи практикующим химиком, он просто не мог надеть лабораторный халат и собственноручно провести эксперимент, который доказал бы его идеи. Таким образом, он был в положении, знакомом многим теоретикам, которым в голову пришла отличная идея. Им нужно найти дружески настроенного экспериментатора, готового взять тайм-аут в своем напряженном графике работы в лаборатории, чтобы проверить теорию, которая, как правило, оказывается неверной. Шультену не везло, он никак не мог убедить кого-либо из коллег-химиков опробовать свою идею, потому что никто из них не считал, что его эксперимент имеет хоть какие-то шансы на успех.

Источником этого коллективного скептицизма, как потом выяснил Шультен, был руководитель лаборатории Института Губерт Старк. В конце концов Шультен набрался смелости поговорить со Старком с глазу на глаз и найти наконец корни этого укоренившегося скептицизма: оказалось, Старк уже проводил подобный эксперимент и не обнаружил никакого влияния магнитного поля. Шультен был поражен. Казалось, что его гипотезу могла постигнуть участь, описанная эволюционным биологом Томасом Гексли: «Уродливый факт способен погубить прекрасную гипотезу».

Поблагодарив Старка за проведение эксперимента, удрученный Шультен собирался было покинуть свой пост, но потом вернулся и попросил разрешения посмотреть на разочаровывающие данные. Когда Старк показал ему материалы, настроение Шультена внезапно поднялось. Он заметил что-то, что пропустил Старк: небольшое, но значимое отклонение в данных, которое он и предсказывал. Он сказал, что это было «именно то, чего я ожидал, и поэтому я был очень рад, что я увидел это. Катастрофа превратилась в счастливый момент, потому что я знал, что искать. А Старк не знал»[96].

Шультен немедленно засел за работу, которая обещала стать настоящим научным прорывом. Но вскоре он получил еще один шок. За чашечкой кофе с коллегой Марией-Элизабет Мишель-Байерле на конференции в Техническом университете Мюнхена он выяснил, что Мишель-Байерле провела точно такой же эксперимент. Это поставило Шультена в этически затруднительное положение. Он мог рассекретить свое открытие и потенциально подсказать Мишель-Байерле срочно вернуться в Мюнхен, чтобы написать свою собственную работу, которая сделает его публикацию бессмысленной; или он мог бы извиниться и быстро поехать обратно в Геттинген, чтобы записать свои собственные результаты. Но если бы он сбежал, не говоря ни слова, а затем опубликовал работу первым, Мишель-Байерле могла бы впоследствии обвинить его в том, что он украл ее идею. Он вспоминает свои мысли: «Если я сейчас не скажу, что я проводил аналогичные исследования, то она может сказать, что я пошел домой, чтобы сделать эксперимент»[97]. В конце концов Шультен признался Мишель-Байерле, что он проделал аналогичную работу. Оба ученых остались до окончания конференции, а затем вернулись каждый к себе домой, чтобы написать свои собственные работы (работа Шультена появилась чуть раньше), описывающие открытия влияния квантовой запутанности на химические реакции.

В работе Шультена[98] 1976 года содержалось предположение о том, что квантовая запутанность влияет на скорость необычных быстрых триплетных реакций, сделанное на основании исследований в лаборатории Макса Планка; но его новаторская работа также содержала экспериментальные данные Старка, которые ясно показали, что химическая реакция была чувствительна к воздействию магнитных полей. С двумя большими результатами «2 в 1» многие ученые были бы удовлетворены, но Шультен, еще не достигший 30, обладал безрассудством молодости и был готов лезть на рожон и дальше. Изучив работы Вильчко по миграциям малиновки, где была поставлена задача нахождения правдоподобного химического механизма биологического компаса, он понял, что его вращающиеся электроны могли бы обеспечить такой механизм; и в статье 1978 года он предположил, что птичий компас зависит от механизма взаимодействия пар квантово-запутанных частиц.

В то время вряд ли кто-то воспринял эту идею всерьез. Коллеги Шультена из Института Макса Планка считали ее просто еще одной из его сумасшедших теорий, и редакторы Science, ведущего научного журнала, куда он отправил статью в первую очередь, были столь же мало впечатлены, написав: «Менее смелый ученый отправил бы это в мусорную корзину»[99]. Шультен описывает свою реакцию: «Я почесал голову и подумал: это либо отличная идея, либо полная чушь! Я решил, что это отличная идея, и быстро опубликовал ее в одном немецком журнале!»[100]. Но на данном этапе большинство ученых из тех, которые вообще об этом узнали, поместили теорию Шультена в один ряд с псевдонаучными и паранормальными объяснениями магниторецепции.

Прежде чем мы сможем увидеть, как работы Шультена и Вильчко помогают объяснить нахождение птицами своего пути вокруг земного шара, необходимо вернуться к загадочному квантовому миру и внимательно рассмотреть явление запутанности, которое мы вкратце описывали в главе 1 этой книги. Возможно, вы помните, что запутанность настолько удивительна, что даже Эйнштейн настаивал, будто бы она не может быть правильной. Но сначала мы должны познакомить вас с еще одной неотъемлемой составляющей квантового мира — спином.

Квантовый спин и таинственные действия

Многие научно-популярные книги по квантовой механике использует понятие «квантовый спин», чтобы подчеркнуть всю странность субатомного мира. Мы решили не делать этого здесь просто потому, что данное понятие сильно отличается от всего, что мы можем передать на понятном всем языке. Но мы не можем больше оттягивать, так что начнем.