Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

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.

Так же как Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, у электронов и других элементарных частиц есть свойство, называемое спином, которое заключается в отличии от их нормального движения. Но, как мы отмечали в главе 1, этот квантовый спин отличается от всего, что мы можем представить на основе нашего повседневного опыта и знаний о вращающихся объектах, таких как теннисные мячи или планеты. Для начала стоит отметить, что не имеет никакого смысла говорить о скорости вращения электрона, ведь его спин может принимать только одно из двух возможных значений: он квантуется, как энергия квантуется на квантовом уровне. Электроны могут только — в широком смысле — вращаться или по часовой стрелке, или против. Это соответствует тому, что обычно называют спином по полю и спином против поля. И поскольку это квантовый мир со своими законами, электрон может, будучи не под наблюдением, вращаться в обоих направлениях одновременно. Можно сказать, что их спин представляет собой суперпозицию (то есть комбинацию или смесь) из спина по полю и спина против поля. В некотором смысле это может звучать даже более странно, чем то, что электрон может находиться в двух местах одновременно, — как может один электрон вращаться и по часовой стрелке, и против часовой стрелки одновременно?

Чтобы подчеркнуть, насколько нелогично понятие квантового спина, отметим, что после того, как электрон повернется на 360°, он не возвращается в исходное состояние; чтобы вернуться, он должен сделать два полных оборота. Это звучит странно, потому что мы до сих пор склонны представлять электрон как крошечную сферу вроде очень маленького теннисного мяча. Но теннисные мячи являются «обитателями» макромира, а электроны «живут» в субатомном квантовом мире, где действуют свои правила. На самом деле электроны не только не являются крошечными сферами, но о них нельзя даже сказать, что они вообще имеют размер. В общем-то, квантовый спин столь же реален, как и вращение теннисного мяча, просто он не имеет аналогов в привычной повседневной жизни и его нельзя нарисовать.

Тем не менее не стоит думать, что это просто абстрактное математическое понятие, которое существует только в учебниках и заумных лекциях по физике. Каждый электрон в вашем теле и во всей Вселенной вращается по-своему. В самом деле, если бы они этого не делали, мир, каким мы его знаем, в том числе и мы сами, просто не мог бы существовать, потому что квантовый спин играет ключевую роль в одной из самых важных идей в науке, а именно — принципе Паули, который лежит в основе всей химии.

Одно из последствий принципа Паули заключается в том, что если два спаренных электрона в атоме или молекуле имеют одинаковую энергию (как вы помните из главы 3, химические связи, удерживающие молекулы вместе, состоят из электронов, которые являются разделенными между атомами), то они должны иметь противоположные спины. Суммарный спин будет равен нулю, и тогда мы считаем их находящимися в синглетном состоянии. Это нормальное состояние пар электронов в большинстве атомов и молекул. Однако, когда электроны спарены на одном и том же энергетическом уровне, два электрона могут иметь однонаправленные спины, и это называется триплетным состоянием спина[101], как в реакции, которую изучал Шультен[102].

Вы наверняка знакомы с весьма сомнительными утверждениями о том, будто однояйцевые близнецы способны чувствовать эмоциональное состояние друг друга даже на большом расстоянии. Так или иначе, идея состоит в том, что близнецы соединены на психическом уровне, и это науке еще только предстоит понять. Аналогичные предположения были сделаны, чтобы объяснить, как собака чувствует, когда ее владелец приходит домой. Мы должны разъяснить, что ни один из этих примеров не имеет никакой научной ценности, хотя некоторые люди ошибочно пытались приписать им квантово-механическую природу. Тем не менее, хотя подобное «мгновенное действие на расстоянии» (как оно часто описывается) не имеет места в нашем повседневном классическом мире, это ключевая особенность мира квантовой механики. Его техническое название — «нелокальность», или «запутанность», и это имеет отношение к тому, что что-то, происходящее «здесь», может иметь мгновенный эффект «там» — независимо от того, как далеко это самое «там» находится.

Давайте рассмотрим пару игральных кубиков. Математическую вероятность выбросить два раза одно и то же число легко посчитать. Для любой грани, на которую приземляется кубик, вероятность выпасть составляет 1 к 6, такова же вероятность, что еще раз выпадет та же грань. Например, вероятность того, что выпадет четверка, — 1 к 6, а шансы выбросить две четверки — 1 к 36 (1/6 × 1/6 = 1/36). Вероятность такая же для любой пары чисел, любого дубля. И путем умножения 1/6 на 1/6 десять раз достаточно легко вычислить, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд (будь это, к примеру, две четверки, затем две единицы и т. д.) составляет около 1 к 60 миллионам! Это означает, что если каждый человек в Великобритании бросит пару кубиков десять раз подряд, то, по статистике, только одному будет удаваться выбрасывать все дубли.

Но представьте, что у вас есть пара кубиков, которые всегда приземляются на одну и ту же грань, когда их бросают вместе. Сама выпавшая грань остается случайной и, как правило, меняется при каждом броске, но в конечном счете на обоих кубиках всегда выпадает одна и та же грань. Очевидно, тут логично заподозрить какой-то трюк. Возможно, у этих кубиков есть сложный внутренний механизм, который управляет их движением так, чтобы они приземлялись на одинаковые грани в соответствии с запрограммированной последовательностью? Чтобы проверить эту теорию, вы можете начать бросать сначала один кубик, держа другой, а после этого бросаете пару. Теперь любая предварительно запрограммированная последовательность должна сбиться, а трюк должен перестать работать. Но, несмотря на эту стратегию, кубики продолжают и продолжают приземляться на одинаковые грани.

Другое возможное объяснение — это то, что кубики должны каким-то образом синхронизироваться перед каждым броском, обмениваясь сигналом на расстоянии. Хотя такой механизм представляется довольно сложным, его по крайней мере можно в принципе себе представить. Тем не менее любой подобный механизм должен иметь ограничение, налагаемое теорией относительности Эйнштейна, согласно которой ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света. Это дает вам средства для проверки, проходит ли вообще какой-то сигнал между кубиками: все, что вам нужно сделать, — это разнести кубики достаточно далеко друг от друга, так, чтобы времени для прохождения любого сигнала между бросками и их синхронизации просто не хватало. Давайте представим тот же трюк, что и выше, но организуем дело так, что один кубик будет брошен на Земле, а другой — в то же время на Марсе. Даже на самом близком расстоянии свет летит от Земли до Марса четыре минуты, так что вы понимаете: любой сигнал синхронизации должен иметь аналогичную задержку. Чтобы исключить этот фактор, вам просто следует бросать два кубика с интервалом менее четырех минут. Это должно помешать любому сигналу между бросками. Если они будут продолжать падать на одинаковую грань, то, по всей видимости, должна быть какая-то тесная связь между ними, которая игнорирует известное ограничение Эйнштейна.

Хотя описанный выше эксперимент не проводился с кубиками на разных планетах, аналогичные опыты были проделаны с квантово-запутанными частицами на Земле, и результаты показали, что отделенные частицы могут совершать такие же чудеса, как и наши кубики: их состояние коррелирует независимо от расстояния между ними. Эта удивительная особенность квантового мира, похоже, игнорирует ограничение скорости Эйнштейна, одна частица мгновенно воздействует на другую, как бы далеко друг от друга они ни находились. Термин «запутанность» для описания этого явления придумал Шредингер, который, как и сам Эйнштейн, не был поклонником того, что Эйнштейн назвал «ужасным действием на расстоянии». Но, несмотря на их скептицизм, квантовая запутанность была доказана во многих экспериментах и является одной из самых фундаментальных идей в квантовой механике, со многими следствиями и примерами в физике и химии — и, как мы увидим позже, возможно, в биологии тоже.

Чтобы понять, как квантовая запутанность связана с биологией, мы должны объединить две идеи. Первая идея — это наличие мгновенной связи между двумя частицами через пространство (запутанности). Вторая — способность одиночной квантовой частицы быть в суперпозиции в двух или более различных состояниях сразу: например, электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, тогда мы говорим, что он в суперпозиции состояний по полю и против поля. Мы объединяем эти две идеи, когда имеем два запутанных электрона в атоме, каждый — в суперпозиции двух спиновых состояний. Хотя ни один электрон не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона и сам испытывает обратное влияние. Но надо помнить, что пары электронов в одном атоме всегда находятся в синглетном состоянии, а это означает, что они должны иметь противоположные спины в любой момент времени: один должен быть по полю, а другой — против поля. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, в странном квантовом мире они должны в любой момент времени иметь противоположные спины.